Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
4. Перейдем теперь к объяснению расщеш^ния спектральных линий в магнитном поле. Колеблющийся электрон излучает электромагнитные волны. Излучение максимально в направлении, перпендикулярном к ускорению электрона, а в направлении ускорения отсутствует. Согласно классической теории, частота излучаемого света совпадает с частотой колебания электрона. Но последняя меняется при включении магнитного поля. Поэтому должна измениться и частота излучаемого света. При наблюдении вдоль магнитного поля колебание в том же направлении излучения не дает. Излучение создается только круговыми вращениями электрона. В результате наблюдаются две о-компоненты с круговой поляризацией и частотами со0 + й и CO0-Q. Если свет идет в направлении вектора В, то поляризация первой линии будет левой, а второй — правой. При изменении направления магнитного поля на противоположное меняется на противоположную и круговая поляризация каждой линии. При наблюдении поперек магнитного поля В колебания электрона, параллельные В, дают максимум излучения. Им соответствует несмещенная я-компонента, в которой электрический вектор параллелен В. Оба круговых движения совершаются в плоско- §92] ЭФФЕКТ ЗЕЕМАНА
569
сти, перпендикулярной к В. Разложим каждое из них на гармоническое колебание вдоль линии наблюдения и перпендикулярное к нему. Только колебания, перпендикулярные к линии наблюдения, сопровождаются излучением и дают две а-компоненты с частотами to + ? и со — Q, в которых электрические векторы перпендикулярны к В.
Таково объяснение расщепления спектральных линий, наблюдавшееся в первых опытах Зеемана. Если учесть, что в отсутствие магнитного поля все направления движения электрона равновероятны, то нетрудно объяснить и относительные интенсивности спектральных линий в этих опытах.
Как видно из численного примера, приведенного выше (В = = IO4 Гс), ?2/со0 я» 2 • IO"5. Для разрешения такого расщепления требуются спектральные приборы с разрешающей силой co0/Q не менее 5-Ю4, т. е. дифракционные решетки или интерференционные спектроскопы. Но в опытах П. Jl. Капицы (В = 3,2-IO5 Гс) были уже достаточны призменные спектроскопы.
Исследуя характер круговой поляризации линий в продольном эффекте Зеемана, можно определить знак зарядов, вызывающих этот эффект. Он оказался отрицательным. Измеряя же величину расщепления, можно определить удельный заряд elm. Он оказался таким же, как и при измерениях по отклонениям катодных лучей в электрических и магнитных полях (elm = 1,759-IO7 СГСМ). Это не оставляет сомнений в том, что заряженные частицы, определяющие оптическое поведение атомов, действительно являются электронами. і
5. Дальнейшие опыты показали, что явление Зеемана в том виде, в каком оно наблюдалось сначала и нашло объяснение в теории Лорентца — лорентцовский триплет, состоящий из одной я-компоненты и двух р-компонент, а также дублет из двух сг-ком-понент, поляризованных по кругу, — наблюдается крайне редко. Такое расщепление называется нормальным или простым эффектом Зеемана. Простой эффект дают так называемые синглетные, т. е. одиночные, практически монохроматические спектральные линии. Подавляющее большинство спектральных линий являются мульти-плетами (дублетами, триплетами, квартетами и т. д), т. е. состоят из нескольких тесно расположенных спектральных линий.
Простейшим примером мультиплета (дублета) может служить двойная D-линия натрия. Она состоит из двух близко расположенных линий с длинами волн KDl = 589,5930 нм и Х0г = 588,96963 нм, причем интенсивность линии D2 вдвое больше интенсивности линии D1.
Мультиплеты в магнитных полях дают значительно более сложную картину расщепления, чем расщепление в простом эффекте Зеемана. Так, линия D1 натрия расщепляется на четыре линии: средние из них являются п-, а крайние — а-компонентами. Линия 570
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОПТИКА
' [ГЛ. VIII
же D2 расщепляется на шесть компонент: две средние являются л-, а четыре крайние — ст-компонентами. Таким образом, весь дублет расщепляется на 10' линий. Наблюдаются и значительно более сложные картины расщепления мультиплетов. Такие расщепления называются аномальным или сложным эффектом Зеемана. Предпочтителен термин «сложный эффект», так как именно сложный, -а не простой эффект является правилом, а не исключением.
Объяснение сложного эффекта Зеемана дала квантовая теория, да и то после того, как был открыт спин (т. е. собственный момент количества движения) и связанный с ним магнитный момент электрона. В случае синглетных спектральных линий квантовая теория приводит к тем же результатам, что и простая теория Лорентца. Мы вернемся ко всем этим вопросам в пятом томе нашего курса.
§ 93. Понятие об эффекте Штарка
Как было показано в § 91, однородное электрическое поле не меняет собственную частоту со0 гармонического осциллятора. Однако при учете ангармоничности такое изменение должно происходить. Если ограничиться линейными членами по внешнему полю E0, то оно будет выражаться формулой (91.1), из которой следует Aco0 = = —$еЕ0/(тіоо). В этом приближении внешнее поле E0 не вызывает расщепления спектральных линий, а только производит небольшое смешение их в сторону, пропорциональное напряженности поля E0. При учете членов высших степеней можно ожидать расщепления спектральных линий с расстояниями между компонентами, пропорциональными квадрату поля E0, а именно
