Билет 40. Эффект Зеемана

расщепление спектральных линий под действием магнитного поля. Для наблюдения З. э. источник света, испускающий линейчатый спектр, располагается между полюсами мощного электромагнита (рис. 1). При этом каждая спектральная линия расщепляется на несколько составляющих. Расщепление весьма незначительно (для магнитных полей Зеемана эффект 20 кэ составляет несколько десятых Å), поэтому для наблюдения З. э. применяют спектральные приборы с высокой разрешающей способностью.

Все компоненты зеемановского расщепления. Картина расщепления и поляризация компонент зависят от направления наблюдения. В простейшем случае в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля (поперечный З. э.), обнаруживаются (рис. 2) 3 линии: несмещенная π-компонента, поляризованная по направлению поля, и 2 симметрично по отношению к ней расположенные σ-компоненты, поляризованные перпендикулярно полю. При наблюдении в направлении поля (продольный З. э.) остаются только σ-компоненты, поляризованные в этом случае по кругу.

Первое объяснение З. э. дал Г. Лоренц в 1897. Он рассматривал электрон в атоме как гармонический осциллятор частоты излучающий в отсутствие внешнего поля спектральную линию этой частоты. В однородном внешнем магнитном поле Н движение линейно колеблющегося электрона можно разложить на линейное колебание вдоль направления поля и два круговых колебания (с противоположными направлениями вращения) в плоскости, перпендикулярной Н (рис. 3). На линейное колебание поле Н не действует, и его частота остаётся равной v0; частоты круговых составляющих изменяются, т.к. электрон в магнитном поле получает дополнит. вращение вокруг направления магнитного поля с частотой Δv = 1/4π(e/me) Н, где е/ме — отношение заряда электрона к его массе (см. Лармора прецессия). Частоты этих колебаний становятся равными v1 = v0 + Δv и v2 =vo — Δv. Т. о., атом в магнитном поле испускает 3 линии с частотами v0, v1 и v2 (зеемановский триплет). Такая картина расщепления — простой (или нормальный) З. э. — получается только для одиночных спектральных линий (см. Атомные спектры), а также в предельном случае очень сильных магнитных полей (эффект Пашена — Бака). Как правило, наблюдается более сложная картина: спектральная линия расщепляется на большее число компонент с различными значениями Δv — сложный (или аномальный) З. э.; получается спектральная группа равноотстоящих π-компонент и две симметрично от неё расположенные группы равноотстоящих σ-компонент. Полное объяснение З. э. даёт квантовая теория. Квантовая система, например атом, обладает магнитным моментом μ, который связан с механическим моментом количества движения М и может ориентироваться в магнитном поле только определённым образом. Число возможных ориентаций μ равно степени вырождения уровня энергии (см. Вырождение), т. е. числу возможных состояний атома с данной энергией Е. В магнитном поле каждой ориентации μ соответствует своя дополнительная энергия ΔЕ. Это приводит к снятию вырождения — уровень расщепляется.

Билет 41. Принцип Паули

Принцип Паули, который часто называют еще принципом запрета, ограничивает число электронов, которые могут находиться на одной орбитали. Согласно принципу Паули, на любой орбитали может находиться не более двух электронов и то лишь в том случае, если они имеют противоположные спины (неодинаковые спиновые числа). Поэтому в атоме не должно быть двух электронов с одинаковыми четырьмя квантовыми числами (n, l, ml, ms).

Атом лития имеет три электрона. Орбиталь с самой низкой энергией - 1s-орбиталь - может быть заселена лишь двумя электронами, причем у этих электронов должны быть разные спины. Если обозначать спин +1/2 стрелкой, направленной вверх, а спин −1/2 - стрелкой, направленной вниз, то два электрона с противоположными (антипараллельными) спинами на одной орбитали можно схематически представить так:

Третий электрон в атоме лития должен занимать орбиталь, следующую по энергии за самой низкой орбиталью, то есть 2s-орбиталь.