Efecte Zeeman

Efecte Zeeman

Erro al crear miniatura:

Les llínees espectrals de la llàntia de vapor de mercuri en la llongitut d'ona 546.1 nm, mostrant un efecte Zeeman anómal. (A) Sense camp magnètic. (B) En el camp magnètic, les llínees espectrals es dividixen com un efecte Zeeman travesser. (C) En camp magnètic, dividit com a efecte Zeeman llongitudinal. Les llínees espectrals es varen obtindre per mig d'un interferómetro de Fabry-Pérot.

Archiu:Breit-rabi-Zeeman-en.svg

Divisió de Zeeman del nivell 5 de ⁸⁷Rb, inclosa la divisió d'estructura fina i estructura hiperfina. Ací F = J + I, a on I és l'espin nuclear (per a ⁸⁷Rb, I = Plantilla:Frac)

Archiu:Explanation of how the magnetic field on a star affects the light emitted.webm

Esta animació mostra lo que succeïx quan es forma una taca solar (o taca estelar) i el camp magnètic aumenta la seua força. La llum que emergix del lloc comença a demostrar l'efecte Zeeman. Les llínees de l'espectre obscur en l'espectre de la llum emesa es dividixen en tres components i la força de la polarisació circular en parts de l'espectre aumenta significativament. Este efecte de polarisació és una poderosa ferramenta per a que els astrònoms detecten i medixquen camps magnètics estelars.

El efecte Zeeman, que du el nom del físic neerlandés Pieter Zeeman, és l'efecte de la divisió d'una llínea espectral en varis components en presència d'un camp magnètic estàtic. És anàlec al efecte Stark, la divisió d'una llínea espectral en varis components en presència d'un camp elèctric. També similar a l'efecte Stark, les transicions entre diferents components tenen, en general, diferents intensitat, estant algunes totalment prohibides (en l'aproximació dipolar), segons es rig per les regles de selecció.

Ya que la distància entre els subniveles de Zeeman és una funció de l'intensitat del camp magnètic, este efecte es pot utilisar per a medir l'intensitat del camp magnètic, per eixemple, el del Sol i unes atres estreles o en plasmes de laboratori. L'efecte Zeeman és molt important en aplicacions com la espectroscòpia de resonància magnètica nuclear, l'espectroscòpia de resonància d'espin electrònic, la formació d'imàgens per resonància magnètica (MRI) i la espectroscòpia de Mössbauer. També es pot utilisar per a millorar la precisió en la espectroscòpia d'absorció atòmica. Una teoria sobre el sentit magnètic de les aus assumix que una proteïna en la retina canvia per l'efecte Zeeman.

Quan les llínees espectrals són llínees d'absorció, l'efecte es denomina efecte Zeeman invers.

Nomenclatura

Històricament, es distinguix entre el efecte Zeeman normal i anómal (descobert per Thomas Preston en Dublín, Irlanda). L'efecte anómal apareix en les transicions en les que el spin net dels electrons no és zero. Se li va cridar "anómal" perque l'espin de l'electró encara no s'havia descobert, per lo que no hi havia una bona explicació en el moment en que Zeeman va observar l'efecte.

A major intensitat de camp magnètic, l'efecte deixa de ser llineal. A una força de camp encara major, quan la força del camp extern és comparable a la força del camp intern de l'àtom, l'acoplament d'electrons s'altera i les llínees espectrals es reorganisen. Açò es diu efecte Paschen-Back.

En la lliteratura científica moderna, estos térmens s'utilisen rarament, en una tendència a utilisar solament "efecte Zeeman".

Presentació teòrica

El hamiltoniano total d'un àtom en un camp magnètic és

$H=H_0+V_{\mathrm{M}},$

a on $H_0$ és el hamiltoniano imperturbable de l'àtom, i $V_{\mathrm{M}}$ és la destorbament deguda al camp magnètic:

$V_{\mathrm{M}}=-\overrightarrow{\mu }\cdot \overrightarrow{B},$

a on $\overrightarrow{\mu }$ és el moment magnètic de l'àtom. El moment magnètic consta de les parts electròniques i nuclears; no obstant, este últim és molts órdens de magnitut més menut i es passarà per alt ací. Per lo tant,

$\overrightarrow{\mu }\approx -\frac{{\mu }_{\mathrm{B}}g\overrightarrow{J}}{\hslash },$

a on ${\mu }_{\mathrm{B}}$ és el magnetón de Bohr, $\overrightarrow{J}$ és el moment angular electrònic total, i $g$ és el factor g de Landé. Un enfocament més precís és tindre en conte que l'operador del moment magnètic d'un electró és una suma de les contribucions del moment angular orbital $\overrightarrow{L}$ i el moment angular de gir $\overrightarrow{S}$, en cada u multiplicat per la proporció giromagnética apropiada:

$\overrightarrow{\mu }=-\frac{{\mu }_{\mathrm{B}}(g_l\overrightarrow{L}+g_s\overrightarrow{S})}{\hslash },$

a on $g_l=1$ i $g_s\approx 2.0023192$ (este últim es diu relació giromagnética anómala; la desviació del valor de 2 es deu a los efectos de la electrodinàmica quàntica). En el cas del acoplament LS, es poden sumar tots els electrons de l'àtom:

$g\overrightarrow{J}=⟨\sum _i(g_l\overrightarrow{l_i}+g_s\overrightarrow{s_i})⟩=⟨(g_l\overrightarrow{L}+g_s\overrightarrow{S})⟩,$

a on $\overrightarrow{L}$ i $\overrightarrow{S}$ són el moment orbital total i el spin de l'àtom, i el promig es realisa sobre un estat en un valor donat del moment angular total.

Si el terme d'interacció $V_M$ és menut (menys que la estructura fina), pot tractar-se com un destorbament; est és l'efecte Zeeman pròpiament dit. En l'efecte Paschen-Back, que es descriu a continuació, $V_M$ excedix el acoplament LS significativament (pero encara és menut en comparació a $H_0$). En camps magnètics ultrafuertes, l'interacció del camp magnètic pot excedir $H_0$, en el cas del qual l'àtom ya no pot existir en el seu significat normal, i en el seu lloc es parla de nivells de Landau. Hi ha casos intermijos que són més complexos que estos casos llímit.