Rozszerzenie tematu widma i poziomów energetycznych atomu. Bez pola magnetycznego atom emituje pojedynczą, ostrą linię widmową; w polu magnetycznym linia ta rozszczepia się na kilka blisko siebie leżących linii, a rozstaw między nimi rośnie z natężeniem pola — dowód na to, że poziomy energetyczne atomu są powiązane z magnetyzmem elektronów (Nobel fizyka 1902, Lorentz i Zeeman).
Co to jest efekt Zeemana?
Włączyłeś pole B, a jedna ostra linia widmowa rozpadła się na trzy blisko siebie leżące składowe. To właśnie efekt Zeemana: pole magnetyczne rozszczepia poziomy energetyczne atomu, więc zamiast jednego przejścia elektron może wykonać kilka nieco różniących się energią przejść — i widać kilka bardzo blisko siebie leżących linii zamiast jednej.
Rozszczepienie energii:
— μ_B to magneton Bohra (stała związana z momentem magnetycznym elektronu), g_L to czynnik Landégo (≈1 dla normalnego efektu Zeemana), a m_l numeruje dozwolone poziomy. Im silniejsze pole B, tym większa różnica energii ΔE między składowymi.
Po co bada się widma atomów w polu magnetycznym?
Rozstaw linii przekłada się na rozstaw długości fali: . Dla żółtej linii sodu (λ ≈ 589 nm) daje to zaledwie ok. 16 pm na 1 T — dlatego rozszczepienie jest tak trudne do zaobserwowania i wymaga bardzo czułych przyrządów (interferometru), a nie zwykłego pryzmatu. Mierząc dokładnie ten maleńki rozstaw, fizycy odczytują natężenie pola magnetycznego, w którym znajdował się emitujący atom.
Jak to odkryto?
W 1896 roku Pieter Zeeman zaobserwował, że linie widmowe sodu w płomieniu rozszczepiają się na kilka składowych pod wpływem silnego pola magnetycznego. Hendrik Lorentz — na podstawie swojej dopiero co powstałej teorii elektronu — nadał temu zjawisku szczegółową interpretację teoretyczną. Za wspólne badania wpływu magnetyzmu na promieniowanie obaj otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 1902 roku.
Jakie ma zastosowania dziś?
Efekt Zeemana był jednym z pierwszych eksperymentalnych dowodów na to, że poziomy energetyczne atomu są związane z momentem magnetycznym krążących wokół jądra elektronów — czyli na budowę atomu, którą później opisała mechanika kwantowa. Dziś astronomowie wykorzystują go do pomiaru pól magnetycznych gwiazd i plam słonecznych: analizując rozstaw rozszczepionych linii w widmie światła z danego obszaru, można obliczyć, jak silne jest tam pole magnetyczne.
Po co Ci to na maturze:
Zapamiętaj kierunek zależności: bez pola — jedna linia; z polem — kilka linii, a ich rozstaw rośnie wraz z B. To klasyczny dowód na kwantowanie (rozszczepienie) poziomów energetycznych atomu pod wpływem czynnika zewnętrznego.
Zapamiętaj: pole magnetyczne rozszczepia linię widmową na kilka blisko siebie leżących składowych, a ich rozstaw rośnie liniowo z natężeniem pola B — to efekt Zeemana.
Rozszczepienie linii widmowej atomu na kilka składowych pod wpływem pola magnetycznego.
Bo rozszczepienie linii ujawnia, jak poziomy energetyczne elektronów są powiązane z ich momentem magnetycznym.
Do pomiaru natężenia pól magnetycznych gwiazd i plam słonecznych na podstawie rozszczepienia linii w ich widmie.