Efekt Zeemana — linie widmowe w polu magnetycznym

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: $\Delta\lambda \approx \dfrac{\mu_B \lambda^2}{h c}\, B$. 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.