Эффект Зеемана состоит в расщеплении спектральных линий и энергетических уровней во внешнем магнитном токе.
Спектральная линия с частотой расщепляется на две или три компоненты. Если излучение распространяется перпендикулярно к направлению напряженности магнитного поля , то линия симметрично расщепляется на три компоненты , которые линейно поляризованы. У компоненты (π - компонента) колебания электрического вектора направлены вдоль . У компонент (σ — компоненты) колебания
Если излучение распространяется вдоль направления магнитного поля, то линия исчезает, а линии поляризованы по кругу с противоположными направлениями вращения. Это нормальный эффект Зеемана. Расстояние между крайней и средней линиями триплета:
.
Этот эффект наблюдается в спектре щелочноземельных элементов, а также в спектрах Zn, Cd, Hg.
Нормальный эффект Зеемана был объяснен Лоренцем на основе классической электронной теории. Рассмотрим атом с одним валентным электроном. В результате гармонических колебаний электрона атом излучает электромагнитные волны с частотой , равной частоте этих колебаний. При помещении этого атома в электромагнитном поле произвольное линейно поляризованное колебание электрона может быть разложено на два колебания (рис.9.2):
- , происходящее вдоль магнитного поля;
- , происходящее в плоскости, перпендикулярной к направлению поля.
Колебание в свою очередь можно разложить на два колебания и , поляризованные по кругу с противоположными направлениями вращения. Это вращение происходит с частотой прецессии Лармора:
.
Если направление кругового колебания совпадает с направлением прецессии, то частота колебаний электрона будет равна (+ ), если не совпадает, то (– ).
Вдоль магнитного поля линейно поляризованное колебание электрона не дает излучения, т.к. линейный осциллятор не излучает вдоль своей оси. Поэтому в продольном эффекте Зеемана будут наблюдаться два колебания, поляризованные по кругу, причем частоты этих колебаний смещены относительно первоначальной частоты на величину:
.
Если излучение перпендикулярно полю (поперечный эффект Зеемана), все три колебания , и дают линейно поляризованные излучения с частотами ; .
С квантово -механической точки зрения эффект Зеемана объясняется наличием у электрона орбитального магнитного момента . В магнитном поле электрон приобретает дополнительную энергию , где – проекция магнитного момента электрона на направление z магнитного поля; - вектор магнитной индукции. Известно, что:
,
где m - магнитное квантовое число. Таким образом, дополнительная энергия, приобретаемая электроном атома в магнитном поле, равна:
.
Величина является единицей для измерения расщепления энергетических уровней электронов в атомах, находящихся в магнитном поле. Она равна расщеплению уровня т = 1 за счет орбитального магнитного момента и называется величиной нормального расщепления.
Пусть Е1, Е2 – энергии электрона в состояниях 1 и 2 без магнитного поля, его магнитные квантовые числа т1 и т2 соответственно. Тогда при переходе электрона из состояния 1 в состояние 2 в магнитном поле излучается энергия частоты
.
где - частота спектральной линии в отсутствии поля. Согласно правилу отбора
, поэтому для нормального триплета Зеемана
.
Расщепление спектральных линий в электрическом поле называется эффектом Штарка. Это расщепление возникает в результате взаимодействия дипольного момента атома с внешним полем. В результате такого взаимодействия атомы приобретают дополнительную энергию:
,
где – поляризуемость атома.