Зеемана Эффект

Расщепление уровней энергии квантовой системы в магн. Поле (снятие вырождения). Проявляется как расщепление спектральных линий атомов, молекул, кристаллов при квантовых переходах между возникшими подуровнями. Величина расщепления (расстояние между подуровнями) зависит от напряженности Н внеш. Магн. Поля. Как правило, в области, занимаемой атомом или молекулой, Н меняется настолько мало, что магн. Поле может считаться однородным. Энергия Е 0 квантовой системы в однородном магн. Поле меняется на величину. W = -m1/2Hc..., где m - магнитный момент системы, c - тензop магн. Восприимчивости, определяющий наведенный (индуцируемый) магн. Момент m инд =1/2c Н.> В выражении для поправки Wк энергии Е 0 записаны только первый и второй члены разложения по Н.

Соответственно говорят о 3. Э. Первого и второго порядков. Зеемановские подуровни (компоненты зеемановского мультиплета) с энергиями (Е 0 + Wi) соответствуют разл. Проекциям магн. Моментов m и m инд на направление поля H (проекции нумеруются индексом i). При малых напряженностях однородного магн. Поля, напр. Н z, направленного вдоль оси z, для расчета 3. Э. Достаточно ограничиться первым порядком возмущений теории. Для атома в состоянии с отличным от нуля полным моментом кол-ва движения проекция полного момента на направление поля (Jz = -J, -J+ 1,..., J), gJz- электронный g-фактор Ланде, равный. (ge = 2,0023 - т. Наз. G-фактор своб. Электрона). При больших напряженностях Hz, когда зеемановское расщепление превосходит по величине расщепление, обусловленное спинорбитальным взаимодействием, ф-ла (1) заменяется следующей.

WLz,Sz =m Б(Lz +2Sz)Hz(2) Здесь Lz= -L, -L+1,...,L. Sz = -S, -S+1,...,S. В этом случае обычно говорят об эффекте Пашена-Бака. Величина расщепления, обусловленного электронным магн. Моментом, составляет при Hz ~ 1 Тл величину ~0,5gJ cм -1, т. Е. 0,5-1 см -1. Частоты переходов между зеемановскими подуровнями лежат в микроволновом диапазоне (1 см -1 ~ 30000 МГц). Так, электронный переход 1S . 1Ру Mg в отсутствие магн. Поля проявляется как линия с частотой 35061,6 см -1, а в магн. Поле напряженности Н z~2 Тл - как три линии с расстоянием между соседними линиями ~1 см -1. У молекул возможны разл. Проявления 3. Э. В зависимости от того, какие составляющие ее магн. Момента играют при этом определяющую роль. Так, для многоатомных молекул, не обладающих сферич.

Или осевой симметрией, в конденсир. Фазе среднее значение орбитального момента кол-ва движения электронов близко к нулю, вращение молекулы как целого также отсутствует. Для таких молекул магн. Момент определяется суммарным спином S электронов. Если S№0, то имеются неспаренные электроны (частицы парамагнитны). Расщепление на зеемановские подуровни определяется величиной WS(1) ~ gem БmSHz, где mS = -S, -S +1,..., S - проекция спина на направление поля. Если в молекуле имеются ядра со спинами Ia, происходит дополнит. Расщепление уровней WS(1) обусловленное ядерными магн. Моментами и определяемое оператором вида Ч , где m0 - ядерный магнетон (примерно в 2000 раз меньший m Б), ga -> ядерный g-фактор (равный, напр., 5,5854 для 1 Н и 0,8574 для 2 Н), sa - константа магн.

Экранирования ядра а электронами молекулы. При действии на систему переменного электромагн. Поля с частотой, отвечающей разности энергий между соответствующими зеемановскими подуровнями, происходит резонансное поглощение энергии электромагн. Поля - электронный парамагнитный резонанс. Указанные малые поправки, обусловливающие расщепление подуровней WS(1) за счет взаимод. Магн. Моментов ядер с полем, приводят к появлению в спектрах ЭПР сверхтонкой структуры. Взаимод. Неспаренных электронов с магн. Моментами ядер ионов, окружающих парамагн. Частицу в кристалле, также приводит к дополнит. Расщеплению зеемановских подуровней (суперсверхтонкая структура спектра ЭПР). Для диамагн. Многоатомных молекул, у к-рых L = 0 и S = 0, расщепление в магн.

Поле на зеемановские подуровни определяется прежде всего магн. Моментами ядер (с учетом экранирования sa). Спектр поглощения электромагн. Излучения в этом случае наз. Спектром ядерного магнитного резонанса. Дополнительное, более слабое расщепление, характеризующее тонкую структуру зеемановских подуровней и спектра ЯМР, связано с взаимод. Магн. Моментов ядер между собой, т. Е. С ядерным спин-спиновым взаимодействием. Величины расщеплений в спектрах ЯМР значительно меньше, чем в случае 3. Э., обусловленного электронным магн. Моментом, прежде всего из-за соотношения m0 и m Б. Молекулы в газовой фазе обладают вращат. Моментом кол-ва движения R. В магн. Поле возникает расщепление вращат. Уровней, определяемое взаимод. С полем вращат.

Магн. Момента молекулы m0gR, где g - мол. G-фактор (в общем случае тензор второго ранга). Компоненты мол. G-фактора для нейтральных молекул обычно очень малы. Так, для линейной молекулы (ось молекулы - ось z) F-C=C-H gzz= 0, g хх = g уу =>- 0,0077 b 0,0002, для молекулы CH3F (ось симметрии - ось z)gzz =+ 0,310, g хх =>g уу =>- 0,061 b 0,002. Расщепление вращат. Уровней в магн. Поле и связанная с ним тонкая структура вращат. Спектров позволяют определять мол. G -факторы. Для молекул в газовой фазе 3. Э. Второго порядка, связанный с их магн. Восприимчивостью c, дает информацию об анизотропии магн. Восприимчивости, что, совместно с данными по молекулярным g -факторам и моментам инерции, позволяет вычислять компоненты электрич.

квадрупольного момента молекул и устанавливать знак их постоянного дипольного момента. Анализ эксперим. Данных по 3. Э. Первого и второго порядков приводит также к независимому определению диа- и парамагнитной составляющих магнитной восприимчивости молекул. Впервые 3. Э. Наблюдал П. Зееман в 1896 при исследовании свечения паров натрия в магн. Поле. Лит. Эткинс П., Кванты. Справочник концепций, пер. С англ., М., 1977. Флайгер У., Строение и динамика молекул, пер. С англ., т. 1-2, М., 1982. Н. Ф. Степанов. .