Поляризація світла при ефекті Зеємана

Рис.17.6. Схема утворення поляризації зеєманівських ліній.

Експериментально встановлено, що компоненти зеєманівських мультиплетів поляризовані. - поляризовані компоненти виникають при виконанні правила відбору . Їхній електричний вектор коливається паралельно напрямку поля (див. (8.86*). При генеруються - компоненти з круговою поляризацією, яка утворюється складанням коливань електричного вектора в двох напрямках перпендикулярних до поля (див. (8.86) та рис.17.6),

поляризація компонент зеєманівських мультиплетів зв’язана з певною зміною проекцій компонентів кутового моменту електрона, який випромінює під час переходів між термами. Розглянемо для спрощення нормальний триплет Лоренца. Згідно (17.4) спектральні складові триплету при - циркулярно поляризовані, а при - лінійно поляризовані. В цих переходах не змінюється напрямок спінів, тому переходи відбуваються за умов . Згадаймо, що у підрозділі 8.8 ми отримали для атомів водню правило відбору з умови, що матричний елемент дипольного моменту вздовж осі не дорівнює нулеві (8.86*), а для правила відбору що дипольні моменти і не дорівнюють нулю (8.86). Наявність змінного дипольного моменту призводить до генерації поляризованих електромагнітних хвиль з напрямком коливання електричного вектора перпендикулярно до вісі диполя. Диполь відповідає за лінійну - поляризацію, а диполі і за кругову s - поляризацію. Кругова поляризація утворюється внаслідок складання двох взаємно перпендикулярних коливань вздовж осей і , перпендикулярних до поля .

Це пояснення узгоджується з уявленнями про спін фотона, який може мати дві проекції на вісь паралельну напрямку хвильового вектора фотона. У магнітному полі проекції кутового моменту електрона також кратні . Внаслідок закону збереження кутового моменту при умові можуть генеруватися фотони з проекціями кутового моменту, кратними , тобто циркулярно поляризовані електромагнітні хвилі ( - компоненти з круговою поляризацією). Ці спектральні лінії в напрямку, перпендикулярному напрямкові магнітного поля будуть сприйматись як лінійно поляризовані хвилі. Їх електричний вектор коливається в напрямку перпендикулярному до напрямку магнітного поля. При виконанні умови і (умова виконується при оптичних переходах у випадку зв’язку) квант світла (фотон) має нульову проекцію моменту спіну на напрямок магнітного поля, й тому такі кванти не спостерігаються в напрямку паралельному магнітному полю. Вони спостерігаються лише в перпендикулярному напрямку у вигляді - компоненти лінійно поляризованого світла, електричний вектор якої коливається вздовж напрямку магнітного поля. Наведені аргументи щодо поляризації компонентів зеєманівських мультиплетів можуть бути розповсюджені й на аномальний ефект Зеємана, бо аналіз дозволених переходів показує, що, коли , то і , а коли , то і . У другому випадку і , тобто генерують два взаємно перпендикулярних диполі, які утворюють циркулярно поляризовану хвилю. У першому випадку генерує один диполь, утворюючи компоненту.

Ефект Штарка

Лауреат Нобелівської премії Йохамен Штаркв 1913 році відкрив нове явище. Воно полягає в тому, що в зовнішньому електричному полі енергетичні рівні атомів, молекул та кристалів зміщуються й розщеплюються на підрівні, й тому відбувається розщеплення відповідних спектральних ліній у спектрах випромінювання й поглинання. Кількість компонент розщеплення спектральних ліній залежить від номера серії спектральної лінії, тобто від -головного квантового числа змінного терму. Це явище називається ефектом Штарка.

Частина ліній в напрямку спостереження, перпендикулярному напруженості електричного поля виявляється поляризованою вздовж поля ( -компоненти ), а частина - поляризована перпендикулярно полю ( -компоненти ). У напрямку паралельному електричному полю, можуть з¢являтись лише s-компоненти. Всі вони будуть неполяризованими, тому що сила, з якою діє електричне поле з напруженістю на електрон, що коливається і випромінює, не залежить від напрямку його швидкості. Поляризація ліній в ефекті Штарка[33] наведена на схематичному рис.17.7

Ефект Штарка спостерігати значно складніше за ефект Зеємана, тому що для цього необхідно велике електричне поле , Це поле по-перше, істотно впливає на інтенсивність електричного розряду в розріджених газах, який використовується для збудження атомів, і, по-друге, збільшує кількість іонізованих атомів, спектри яких відрізняються від спектрів неіонізованих збуджених атомів. Для того щоб зменшити влив електричного поля на електричний розряд Штарк використовував прилад подібний до того, який використовувався для отримання каналових променів. Збуджені у електричному розряді атоми мають скінчений час життя у збудженому стані. В області за катодом за допомогою диференціальної відкачки можна знизити тиск залишкових газів, що зменшить ймовірність розсіяння атомів у цьому просторі. Тому збуджені атоми, що пройшли крізь отвір у катоді, на протязі часу залишаються збудженими. В цій області можна створювати досить велике електричне поле для спостереження штарківського розщеплення термів і спектральних ліній.

Рис.17.7 Схема спостереження ефекту Штарка.

Спостерігаються два різновиди розщеплення термів і спектральних ліній в електричному полі: лінійний (ефект першого порядку), коли величина розщеплення лінійно залежить від , і квадратичний (ефект другого порядку), коли розщеплення квадратично залежить від . Ці два різновиди називаються лінійним і квадратичним ефектом Штарка. Лінійний ефект Штарка простіше спостерігати, ніж квадратичний ефект, проте він зустрічається не досить часто. Він притаманний водню й водневоподібним іонам і дипольним молекулам. Квадратичний ефект Штарка спостерігається для всіх атомів і молекул, проте його можна спостерігати лише при дуже великих напруженостях електричного поля. Зокрема для водню при помірних полях квадратичний ефект непомітний на тлі великого лінійного ефекту. Квадратичний ефект Штарка починає спостерігатись лише при полях .

Лінійний ефект Штарка має місце, коли збуджені атоми мають не нульовий дипольний момент ( ). У цьому випадку електричний диполь набуває в зовнішньому електричному полі додаткову енергію

. (17.9)

Знайдемо поправку до власної енергії внаслідок взаємодії диполя із зовнішнім електричним полем. Для цього використаємо рівняння Шредінґера для стаціонарних станів:

. (17.10)

Коли , рівняння (17.10) можна розв’язувати методом збурень. Ця нерівність завжди виконується, тому що електричне поле всередині атомів значно більше поля, яке можна створювати в речовині, не викликаючи електричного пробою . Тоді власні значення енергії, що відповідають стаціонарним станам електрона в атомі, знаходяться з співвідношення:

, (17.11)

де - значення енергії електрона при , а

. (17.12)

Із формули (17.12) видно, що зміна енергії під дією електричного поля на дипольний момент атома лінійно залежить від напруженості електричного поля , тобто маємо лінійний ефект Штарка. Більш точні розрахунки показують, що значні величини енергії розщеплення отримуються в атомі водню й водневих іонах, тому що в них орбіталі і - вироджені за квантовим числом . Наприклад, в електричному полі електрон атому водню може легко перебудуватись, утворюючи гібридні орбіталі і . Перша комбінація дає розподіл сильно зміщений у напрямку з низьким потенціалом, а друга комбінація концентрується з того боку атомного ядра, де потенціал високий. Таким чином, оболонка з стає не виродженою, і відбувається розщеплення ліній серії Лаймана на три сателіти, як це показано на рис.17.8. Електричне поле, направлене вздовж осі , не впливає на і орбіталі. Лінії інших серій розщеплюються на більшу кількість сателітів, тому що при їхньому утворенні беруть участь терми з більшим ступенем виродження.

Рис. 17.8 Лінійний ефект Штарка спектра атому водню.

У ефекті Штарка електричне поле не тільки розщеплює спектральні лінії, а ще й збільшує їхні ширини й зсуває у бік менших частот. Ці ефекти зв'язані з тим, що потенціал для атомного електрона, знаходиться в зовнішньому електричному полі, з обох боків від атомного ядра у напрямку поля різний. З одного боку кулонівський потенціал електрона у полі атомного ядра додається до зовнішнього потенціалу електричного поля, а з другого боку - віднімається.

В атомах, в яких відсутнє виродження таке, як у атома водню, лінійний ефект (ефект першого порядку) відсутній і спостерігається лише квадратичний ефект Штарка.

У цьому випадку зовнішнє електричне поле наводить дипольний момент:

, (17.13)

де - поляризовність атома. Додаткова енергія взаємодії наведеного дипольного моменту із зовнішнім електричним полем квадратично залежить від напруженості поля

(17.14)

Методом збурень, отримаємо для добавки енергії через взаємодію наведеного дипольного моменту з електричним полем вираз:

(17.15)

З формули (17.15) видно, що поправка до енергії електрона в стаціонарному стані через взаємодію наведеного дипольного моменту з електричним полем квадратично залежить від його напруженості. Ця залежність називається квадратичним ефектом Штарка. Квадратичний ефект Штарка менший, ніж лінійний, і був експериментально знайдений пізніше лінійного. Проте квадратичний ефект Штарка більш поширений у природі.

Для атомів водню лінійний та квадратичний ефекти існують одночасно. У слабких полях спочатку спостерігається лінійний ефект Штарка. При полях більших, ніж 10⁶В/см^-1 починає переважати квадратичний ефект Штарка. При ще більших полях відбувається іонізація атомів водню і тому зменшується інтенсивність спектральних ліній атомного спектру водню, а при ще більших полях вони починають зникати. Спочатку зникають лінії з великими квантовими числами , а потім з меншими , тому що електрони в станах із великими квантовими числами потребують меншої енергії для іонізації.

Рис.17.9 Схема розщеплення спектральних ліній атома Н в полі з великим градієнтом паралельним щілині спектрографа. Зі збільшенням спочатку зникають лінії спектра , потім , бо зменшується кількість збуджених атомів через їх автоіонізацію.

Ефект Штарка зручно спостерігати експериментально, коли вхідна щілина спектрографа паралельна до напрямку градієнта електричного поля, яке діє на збуджені атоми джерела світла. Зміна напруженості електричного поля вздовж щілини дозволяє отримувати на виході спектрометра зображення щілини при різних значеннях . Тоді кожна точка зображення щілини на виході спектрографа тобто спектральної лінії буде відповідати певному значенню , а у відсутності поля – окремій лінії атомного спектру водню , , відповідно. Коли , з’являється штарківське розщеплення ліній ( ), як це наведено на рис.17.9 На ньому для спрощення наведено дві розщеплених лінії. Проте їх значно більше. Наприклад, головна лінія серії Бальмера атома водню розщеплюється на 9 компонент. Для атомів Н при малих та помірних електричних полях має місце лінійна залежність від , яка при більших переходить у квадратичну, а при ще більших лінії атомарного спектру водню починають зникати. При менших полях зникають короткохвильові спектральні лінії, а при більших починають зникати й довгохвильові спектральні лінії атомного спектра .

Вкажемо відмінності ефекту Штарка від ефекту Зеємана.

Ефект Штарка буває лінійним і квадратичним. Ефект Зеємана навіть в сильних полях лінійний.
Кількість зеємановських підрівнів дорівнює при або для штарківських підрівнів або .
Магнітне поле знімає виродження повністю по квантовому числу . В електричному полі рівні з вироджені.
Величина штарківського розщеплення залежить від квантового числа , величина зеєманівського розщеплення залежить від квантового числа .
Квадратичний ефект Штарка приводить до зміщення всіх компонент розщеплення спектральної лінії. В ефекті Зеємана, (особливо нормальному) можна спостерігати симетричне розщеплення спектральної лінії.
При спостереженні вздовж напряму зовнішнього поля зеєманівські - компоненти циркулярно - поляризовані, в повздовжньому ефекті Штарка - компоненти неполяризовані.
В ефекті Зеємана велику роль відіграє спін електрона, в випадку ефекту Штарка роль спіна незначна.

Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 482; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 51 52 53 54 555657 58 59 60 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!