Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
При наличии внешнего электрического поля закон сохранения момента количества движения, вообще говоря, не имеет места. Однако в постоянном однородном электрическом поле должна
сохраняться проекция момента количества движения на направление электрического поля. Поэтому в этом случае сохраняют силу и правила отбора по магнитному квантовому числу /?і/, определяющему указанную проекцию (спин s, как сказано выше, не учитывается). При Ami = 0 возникает л-ком-понента, а при Amt = ±1 сг-компоненты. Эти правила отбора и определяют возможные переходы.
Простейшей является картина расщепления водородных линий серии Лаймана. Линии этой серии получаются при переходах с вышележащих уровней на уровень п <= 1, который не расщепляется (2п — I = 1). Уровень п — 2 расщепляется на 2п— I = 3 подуровня. Переходы с этих подуровней на уровень п = 1 дают три компоненты, на которые расщепляется линия /.„ водорода. Эти переходы изображены на рис. 80 Уровни п = 3 и п — 4 расщепляются соответственно на 2п — 1 = 5 и 2п— 1 =7 подуровней. При переходах с них на уровень п = 1 возникают компоненты, на которые расщепляются линии /-0 и Ly. Картина расщепления представлена на схематическом рис. 81. Здесь я-компоненты изображены жирными линиями, отложенными вверх, а О-компоненты — такими же линиями, отложенными вниз. Длины этих линий показывают относительные интенсивности спектральных компонент, возникающих при наложении электрического поля. Заметим, что в случае /.» центральная компонента отсутствует, так что линия /-3 расщепляется на 4 компоненты. Линия !Л, расщепляется на 7 компонент, из которых четыре являются л-, а три о-компонентами. Приведенные теоретические результаты подтверждаются опытами, которые, разумеется, должны выполняться с вакуумной спектральной аппаратурой (ультрафиолет!).
Несколько сложнее расщепляются спектральные линии серии Бальмера водорода. В этом случае переходы совершаются на три подуровня расщепившегося уровня п = 2. Ближайший уровень п = 3 расщепляется на 5 подуровней. В результате бальмеровская линия //я возникающая при переходах с уровня п — 3 на уровень п = 2, расщепляется на 15 компонент, как это вид-
274
ДАЛЬНЕЙШЕЕ ПОСТРОЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
[ГЛ. V
но из рис. 82. Линия //р расщепляется на 20 компонент, линия Ну — на 27, линия //,4 — на 32 и т. д. (Центральные компоненты при расщеплении Я8, не появляются, с чем и связано уменьшение числа компонент соответственно с 21 до 20 и с 33 до 32.) Расщепление линий Нп и //3 при эффекте Штарка, предсказываемое теорией (согласующейся с опытом), показано на рис 83. Аналогично расщепляются линии Нч. Н* ...
в. Описанная картина штарковского расщепления получается, если не учитывать спин электрона, т. е. пренебречь тонкой структурой спектральных ли-
Рис. 83
ний. Это можно делать, когда штарковское расщепление значительно превосходит ширину тонкой структуры спектральной линии. В полях порядка десятков тысяч В/см и выше тонкая структура практически не играет роли. Такие электрические поля (как и в случае магнитных полей в эффекте Зеемана) можно назвать сильными. Когда же штарковское расщепление становится сравнимым или меньше ширины тонкой структуры, то электрическое поле называют слабым. Таким образом, приведенные выше результаты относятся к сильным (в указанном смысле) электрическим полям. В слабых полях эффект Штарка осложняется тонкой структ ирой.
§ 44. Лэмбовский сдвиг уровней атомных электронов
1. В § 38 указывалось, что, согласно релятивистской квантовой теории Дирака, энергии водородных и водородоподобных атомов и ионов с одинаковыми квантовыми числами пи/ должны точно совпадать независимо от того, каково значение квантового числа I. При заданном / число I может принимать значения j— 1/2 и j -j- 1/2 в зависимости от того, как ориентирован спин электрона. Так, главному квантовому числу п = 2 (нижний терм водородной серии Бальмера) соответствуют три уровня 2si/2, 2pi/i и 2pm. Два первых уровня по теории Дирака должны совпадать, так как они имеют одно и то же квантовое число І = 1/2.
Действительно ли совпадают уровни 2si/2 и 2р\/2 — этот вопрос пытались решить методами оптической спектроскопии, изучая тонкую структуру водородной линии На, возникающую при переходах с уровней с главным квантовым числом п = 3 на уровни с п = 2. Однако результаты получались противоречивыми. Одни исследователи находили полное согласие наблюдаемой тонкой структуры с теорией Дирака, тогда как другие приводили к результату, что уровни 2si/z и 2руг смещены относи-
ЛЭМБОВСКЙЙ СДВИГ УРОВНЕЙ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
275
тельно друг друга приблизительно на величину порядка 0,03 см~] или около 1000 Гц. Эта величина примерно в 10 раз меньше расстояния между указанными уровнями и лежащим выше уровнем 2р3/2. Трудность исследования тонкой структуры состояла в исключительной близости спектральных линий, обладавших довольно большой шириной. Наблюдавшееся небольшое несовпадение уровней 2si/2 и 2pi/2 лежало в пределах экспериментальных ошибок. Вопрос был решен в 1947 г. Лэмбом (р. 1913) и Ризерфордом (р. 1912) методами радиоспектроскопии. Ожидаемые смещения уровней — 1000 Гц лежат в области сверхвысоких частот (СВЧ), где можно воспользоваться методами радиоспектроскопии, а последние позволяют обеспечить точность измерений до 1 Гц.
