Zeeman effekti

Zeeman effekti — magnit maydon taʼsirida atomlar spektrlarining ajralishi hodisasi. Bu effekt paydo boʻlishini quyidagicha tushuntirish mumkin: ${\vec {\mu }}$ magnit momentiga ega boʻlgan elektron, ${\vec {B}}$ magnit maydoni taʼsirida qoʻshimcha energiyaga ega boʻladi: :$\Delta E={\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}}$. Ushbu ortiqcha energiya hisobiga atomlar asosiy holatdan magnit kvant soni $m_{j}$ ning qiymatiga koʻra uygʻongan holatga oʻtadi. Natijada spektral chiziqlarning ajralishi roʻy beradi.

1-rasm. Zeeman hodisasini kuzatish sxemasi

Tarixi

Zeeman (1896 y) tashqi magnit maydoni taʼsirida spektral chiziqlar chastotasining zaif oʻzgarishni topdi.  Zeeman qurilmasining prinsipal sxemasi  Faradayning oxirgi tajribasidagi qurilmaga mos kelar edi.  Biroq bundan keyingi tajribalarda Zeeman muhim qo'shimcha kiritdi: Zeeman spektral chiziklar chastotasining o’zgarishini kuzatishdan  tashqari, Lorentz ko’rsatmalariga muvofiq bu chiziklar qutblanishining xarakteriga ham diqqat jalb qildi;  malumki, o'sha vaqtda Lorentz optik hodisalarning  elektron nazariyasini ham  rivojlantirayotgan edi.

Zeeman tajribalarining sxemasi va kadmiyning juda ensiz yashil-zangori chizig'i uchun amalga oshirish mumkin bo’lgan eng sodda holdagi natijalari quyidagidan iborat.  Bir jinsli 10 000- 15 000 Э maydon xosil qila oladigan kuchli  elektromagnetning (1-rasm) qutblari orasiga chiziqli spektr beradigan  manba, masalan, Geysler trubkasi yoki vakuum yoyi qo'yiladi.  Magnet maydoni-ko'ndalangigagina emas (k'o'ndalang effekti), balki maydon bo'ylab ham qo'yish (bo’ylama effekti) bo'lishi uchun elektromagnetning o'zagi teshib qo'yilgan.  Yoruglik ajrata olish kuchi katta (100,000 chamasida) bo’lgan Sp spektral apparatlar, masalan, difraksion panjara yoki interferentsion spektroskopiya tushiriladi.  Chiqayotgan yorug’likning qutblanish xarakteristikasi analizi qilish uchun nur yo’liga har xil moslamalar (L lenza, N analizator va chorak to’lqinli plastinka) qo’yiladi.  Yoruglikni magnit maydonining o’zi qutblaydi.  Spektral chiziklarning murakkab turlarini kuzatish uchun kuchliroq (40000 E ga yaqin) magnit maydonlari va kuchlirok spektral apparatlar (ajrata olish kuchi 300,000-400,000 chamasida) miqdorga to’g’ri keladi.  Bazan tajriba bir necha soat davom etgani uchun magnit vaqt o'tishi bilan magnit maydonini doimiy qilib turishi kerak, ajrata olish kuchi katta bo’lgan spektral apparat ishlatish uchun harorat deyarli bir darajada turishi kerak.[[File:Optika effekt.jpg|thumb|]]

Kvant tasavvurlar

Magnit maydonidagi atomning toʻliq gamiltoniani quyidagiga teng:

$H=H_{0}+V_{M}$

bu yerda $H_{0}$ — gʻalayonlanmagan atomning gamiltoniani, $V_{M}$ — tashqi magnit maydoni tomonidan hosil qilingan gʻalayonlanish:

$V_{M}=-{\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}}$

bu yerda ${\vec {\mu }}$ — atomning magnit momenti. Atomning magnit momenti elektron va yadro momentlaridan tashkil topgan. Yadro magnit momenti elektron magnit momentidan bir necha tartibga kichik boʻlgani uchun tashlab yuborish mumkin. U holda,

${\vec {\mu }}={\frac {-\mu _{B}g{\vec {J}}}{\hbar }}$

Elektronning magnit momenti operatori orbital ${\vec {L}}$ va spin ${\vec {S}}$ momentlarining yigʻindisiga teng. Bunda har bir moment alohida alohida giromagnit nisbatga koʻpaytiriladi:

${\vec {\mu }}={\frac {-\mu _{B}\left(g_{l}{\vec {L}}+g_{s}{\vec {S}}\right)}{\hbar }}\ \ \ \ \ \ (2)$

bu yerda $g_{l}=1$ va $g_{S}\simeq 2,0023192$. $g_{S}$ ni anomal giromagnit nisbat deb ataladi. Uning qiymati 2 dan biroz ortiqligi kvant-elektrodinamik effektlar tufayli paydo boʻladi. L-S bog'lanishda toʻliq magnit momentini hisoblash uchun barcha elektronlarning magnit momentlari qoʻshiladi:

$g{\vec {J}}=\left\langle \sum _{i}(g_{l}{\vec {l_{i}}}+g_{s}{\vec {s_{i}}})\right\rangle =\langle (g_{l}{\vec {L}}+g_{s}{\vec {S}})\rangle$

bu yeda, ${\vec {L}}$ va ${\vec {S}}$ — atomning toʻliq orbital va spin momentlari.

Normal Zeeman effekti

Normal Zeeman effekti deganda, spektral chiziqlarning uchta chiziqqa ajralishi tushuniladi. Normal Zeeman effektini klassik fizika tushunchalari orqali tushuntirib berish mumkin. Agar oʻzaro taʼsir potensiali $V_{M}$ kichik boʻlsa (yaʼni $V_{M}<<|E_{i}-E_{k}|$ boʻlsa), normal Zeeman effekti kuzatiladi. Bu quyidagi oʻtishlarda amalga oshishi mumkin:

• singlet termlar ($S=0;\ J=L$) orasidagi oʻtishlar;
• $L=0$ va $J=S$ sathlar orasidagi oʻtishlar;
• $J=1$ va $J=0$ sathlar orasidagi oʻtishlar, $J=0$ sath ajralmaydi, lekin $J=1$ uchta ostsathga ajraladi.

Normal Zeeman effektida sathlarga ajralish faqatgina orbital va spin magnit momentlariga bogʻliq. Normal Zeeman effekti, asosan, He singletlarida va ishqoriy yer elementlarida kuzatiladi. Shuningdek, Zn, Cd, Hg larning spektrida ham kuzatilishi mumkin.

$\pi$ va $\sigma ^{+}$ qutblanishlar mos holda magnit momenti proyeksiyasining $\Delta m_{j}=0$ va $\Delta m_{j}=\pm 1$ ga oʻzgarishi natijasida yuzaga keladi.

Normal Zeeman effektida mumkin boʻlgan oʻtishlar

Boshlangʻich sath ($n=2,l=1$) $\mid j,m_{j}\rangle$	Oxirgi sath ($n=1,l=0$) $\mid j,m_{j}\rangle$	Energiya farqi
$\left|{\frac {1}{2}},\pm {\frac {1}{2}}\right\rangle$	$\left|{\frac {1}{2}},\pm {\frac {1}{2}}\right\rangle$	$\mp {\frac {2}{3}}\mu _{\rm {B}}B$
$\left|{\frac {1}{2}},\pm {\frac {1}{2}}\right\rangle$	$\left|{\frac {1}{2}},\mp {\frac {1}{2}}\right\rangle$	$\pm {\frac {4}{3}}\mu _{\rm {B}}B$
$\left|{\frac {3}{2}},\pm {\frac {3}{2}}\right\rangle$	$\left|{\frac {1}{2}},\pm {\frac {1}{2}}\right\rangle$	$\pm \mu _{\rm {B}}B$
$\left|{\frac {3}{2}},\pm {\frac {1}{2}}\right\rangle$	$\left|{\frac {1}{2}},\pm {\frac {1}{2}}\right\rangle$	$\mp {\frac {1}{3}}\mu _{\rm {B}}B$
$\left|{\frac {3}{2}},\pm {\frac {1}{2}}\right\rangle$	$\left|{\frac {1}{2}},\mp {\frac {1}{2}}\right\rangle$	$\pm {\frac {5}{3}}\mu _{\rm {B}}B$

Anomal Zeeman effekti

Spektral chiziqlari singlet boʻlmagan barcha atomlar uchun ost sathlarga ajralish, normal parchalanish $\nu _{n}$ soniga proporsional ravishda boʻladi. Anomal effektda parchalanish kattaligi $L,S,J$ kvant sonlariga murakkab tarzda bogʻlangan. Yuqorida taʼkidlab oʻtganimizdek, elektronning magnit maydonida olgan qoʻshimcha energiyasi $V_{M}$ — g-faktor(Lande ko'paytuvchisi deb ham ataladi) ga bogʻliq va quyidagicha ifodalanadi:

$g=1+{\frac {J(J+1)-L(L-1)+S(S+1)}{2J(J+1)}}\ \ \ \ \ \ (3)$

bu yerda $L$ — atomning orbital momenti, $S$ — spin momenti va $J$- toʻliq momenti.

Ushbu hadni birinchi boʻlib Lande kiritgan. Shunga qaramasdan, Lande Zeemanning ishini davom ettirgani uchun, u magnit maydonda olgan spektr anomal Zeeman effekti deb ataladi. Zeeman tajribasi $L=J,S=0$ uchun amalga oshirilgan. Boshqacha aytganda, bunda $g=1$ boʻladi va Lande koʻpaytuvchisi formulada koʻrinmaydi.

Shunday qilib, aynigan energetik sath $2J+1$ ta ost sathlarga ajraladi(bu yerda $J$ — magnit kvant sonining maksimal qiymati).

Amaliyotda qoʻllanilishi

Zeeman effekti absorbsion spektroskopiyada qoʻllaniladi. Bu metod biologik namunalarni analiz qilishda juda efektiv hisoblanadi. Magnit maydon taʼsirida spektral chiziqlar uchta chiziqqa ajraladi. Ularni $\pi$ va $\sigma$ komponentlar deb ataladi. $\pi$ komponentaning joylashuvi dastlabki (parchalanishdan oldingi) toʻlqin uzunligi chizigʻi $\lambda _{0}$ bilan mos keladi. Ikkita $\sigma$-komponentlar esa unga simmetrik ravishda katta va qisqaa toʻlqin uzunliklari sohasida joylashadi. Bunda $\pi$ va $\sigma$ komponentlar turlicha qutblanishga ega boʻladi. Yaʼni, $\pi$ — magnit maydon vektoriga parallel, $\sigma$ komponent esa magnit maydoniga perpendikulyar yoʻnalishda qutblanadi. Qutblangan svetofiltr orqali nurlar dastasini oʻtkazganimizda bu ikki komponentlar ajraladi. Maxsus oʻlchashlarni bajarib, ularning qiymatini aniqlash mumkin.

Atom-absorbsion analizning ustunlik jihatlaridan biri — bu uning yuqori darajadagi selektivligidir. Lekin shunga qaramay, yutilish spektrlarini aniqlashda bir qator qiyinchiliklar bor. Bulardan biri, rezonans chiziqlarining mos kelib qolishidir. Bunda rezonans chizigʻi aynan qaysi elementga tegishli ekanligini aniqlash juda qiyin boʻlib qoladi. Masalan:

• Au uchun 242,79 nm chizigʻi Fe uchun 242,82 nm chizigʻi bilan mos kelib qoladi;
• Hg uchun 253,65 nm chizigʻi Co uchun 253,65 nm chizigʻi bilan mos keladi;
• Cu uchun 324,75 nm va Eu uchun 324,75 nm chizigʻi mos keladi.

Quyosh dogʻi spektral chizigʻidagi Zeeman effekti

Bundan tashqari Zeeman effekti astrofizikada kosmik obyektlarning magnit maydonini aniqlash maqsadida foydalaniladi. Buning uchun spektral chiziqlarning bir nechta nuqtalarida qutblanish parametrlarini aniqlash kerak boʻladi. Undan keyin magnit maydonida spektral chiziqlarning hosil boʻlish nazariyasidan foydalaniladi.

Kuchli magnit maydonlarda atomda markaziy simmetriya buziladi. Natijada atom yoki ionning shakli choʻzilib, sterjen koʻrinishiga kelib qoladi. Bu holat neytron yulduzlar sirtida kuzatiladi.

Yana qarang

• Shtark effekti
• Pashen-Bak effekti
• Spin-orbital taʼsir

Adabiyotlar

• P. Zeeman On the influence of Magnetism on the Nature of the Light emitted by a Substance // Phil. Mag.. — 1897. — Vol. 43. — P. 226.
• P. Zeeman Doubles and triplets in the spectrum produced by external magnetic forces // Phil. Mag.. — 1897. — Vol. 44. — P. 55.
• P. Zeeman The Effect of Magnetisation on the Nature of Light Emitted by a Substance // Nature. — 1897. — Vol. 55. — P. 347.
• G.S.Landsberg. Optika. Toshkent – “O`qituvchi” – 1981.
• S.E.FrishvaA.V.Timoreva. Umumiyfizikakursi. III tom. O`zSSR“ O`rtavaoliymaktab” davlatnashriyoti – 1962.