27. Сілтілік элемент атомдарының энергетикалық деңгейі және аса нәзік түзіліс

С пин-орбиталық әсерлесу. Бұған дейін атом энергиясына электрон спинінің ықпалы ескерілмеді. Спиннің болуы бірэлектронды атомдар үшін энергия деңгейлерінің нәзік түзілісін және осы деңгейлер арасында (1.2.7а) негізгі формулаға сәйкес кванттық ауысулар болғанда алынатын спектрлік сызықтардың нәзік түзілісін туғызады.

Спин-орбиталық әсерлесудің мәнісін атомның модельдік көріністері негізінде түсіндіруге болады. Электронның ядроны айнала қозғалысынан электронның орбиталық импульс моменті және онымен байланысқан орбиталық магниттік моменті пайда болатындығы белгілі. Екінші жағынан электрон спиндік моментке және онымен байланысқан спиндік магниттік моментке ие. мен моменттері арасында магниттік әсерлесу пайда болады және ол және векторларының өзара бағдарлануына тәуелді. Осы әсерлесу спин-орбиталық әсерлесу деп аталады.

Электронның орбиталық қозғалысы атом ішіндегі орбиталық магнит өрістің пайда болуына себепші болады. Шынында да, электрон тыныштықта болатын, ал ядро электронды айнала дөңгелек орбита бойымен қозғалатын координаттар жүйесіне көшейік (1.2-сурет).

магниттік моменті бар бөлшекті магнит өрісіне орналастырғанда, ол қосымша энергия қабылдайтындығы электродинамика курсынан белгілі. энергияны магниттік моментке ие және магнит өрісінде тұрған электрон үшін есептейік:

. (1.2.21)

Электронның спиндік магниттік моментінің орбиталық магнит өрісіндегі бағдарлануы мынандай: оның осы өріс бағытына проекциясы және екі мән қабылдайды. Демек, спиннің өріс бағытына проекциясы да +1/2 және -1/2 екі мән қабылдайды (өйткені , ). Спиннің осы екі бағдарлануына қосымша энергияның әр тұрлі екі мәні сәйкес келеді. Спин-орбиталық әсерлесу нәтижесінде және моменттер қосылып импульстың толық моментін құрайды: . (1.2.22)

моментінің квадраты және оның проекциясы былай кванталады

, ( ), (1.2.23)

Мұндағы және -ішкі және толық магниттік кванттық сандар. Ішкі кванттық сан болғанда, және екі мән, ал те болғанда бір мән қабылдайды.

Демек, сутегі атомы және сутегі тәрізді иондардың - деңгейлерінен басқа барлық энергия деңгейлері, спин-орбиталық әсерлесу нәтижесінде екі деңгейге жіктелуі тиіс (дублеттік жіктелу). Спин-орбиталық әсерлесу салдарынан деңгейлерге жіктелуі деңгейлердің нәзік түзілісі деп аталады. - деңгейлердің жіктелмеуі физикалық тұрғыдан түсінікті: болғанда орбиталық магнит өрісі түзілмейді.

Бірэлектронды атомның энергетикалық деңгейлерінің белгіленуі:

(n=1, l=0, j=1/2), 2²S_1/2 (n=2, l=0, j=1/2),

(n=2, l=1, j=1/2), 2²P_3/2 (n=2, l=1, j=3/2) және т.т.

26. Атомдар мен молекулалардың сыртқы электр өрісімен әсерлесуі. Штрак эффектісі

25. Атомдардың сыртқы магнит өрісімен әсерлесуі. Зееман эффектісі

Магнит өрісінің атомға әсері

• Зееман эффекті: Магнит өрісінде атомдардың энергетикалық деңгейлерінің жіктелуінен спектрлік сызықтардың жіктелуі. Сызықтардың жіктелуі энергетикалық деңгейлерлердің жіктелуімен байланысты, өйткені магниттік моменті бар атом магнит өрісінде мынадай қосымша энергия қабылдайды

, (1.4.9)

мұндағы -атомның толық магниттік моментінің өріс бағытына проекциясы. (1.4.7) формуланы ескеріп, әрбір деңгейшенің энергиясы үшін өрнекті жазамыз

, (1.4.10)

мұндағы Е₀-магнит өрісі жоқ жағдайдағы деңгейдің энергиясы. Осыдан кванттық саны J деңгейдің магнит өрісінде бір-бірінен бірдей қашықтықта орналасқан 2J+1 деңгейшелерге жіктелетіндігі келіп шығады; және жіктелу шамасы g Ланде көбейткішінен тәуелді болады, яғни көрші деңгейшелердің Е аралығы g-ға пропорционал: Еg болады. Сонымен, магнит өрісі деңгейлерді жіктеу нәтижесінде m_J бойынша азғындалуды жояды.

Әр түрлі деңгейлерге жататын деңгейшелер арасында m_J кванттық саны үшін мына сұрыптау ережелері

(1.4.11)

орындалатын кванттық ауысулар ғана мүмкін болады. -ге сәйкес құраушылар -, ал -ге сәйкес құраушылар -құраушылар деп аталады. Магнит өрісіне перпендикуляр бақылағанда -де -да құраушылар көрінеді. Магнит өрісі бойымен бақылағанда -құраушылар ғана көрінеді.

Жиілігі ₀ спектрлік сызықтың зеемандық құраушыларының  жиілігі мына формуламен анықталады

.

(1.4.10) өрнегіне сәйкес, ығыспаған сызыққа қатысты магнит өрісінде -зеемандық ығысу:

, (1.4.12)

мұндағы шамасын Лоренцтік ығысу деп атайды.

• Қарапайым Зееман эффекті жағдайында спектрлік сызық магнит өрісінде үш құраушыға жіктеледі. Қарапайым эффект нәзік түзілісі жоқ спектрлік сызықтарға тән. Осындай сызықтар синглеттік деңгейлер (S=0, J=1, m_J=m_L, g=1) арасындағы кванттық ауысулардан пайда болады. Сондықтан (1.4.12) формула мына түрге келеді

, (1.4.13)

мұндағы , яни шынында үш құраушы пайда болады, бұлардың зеемандық ығысуы

. (1.4.14)

• Күрделі Зееман эффекті жағдайында магнит өрісіне орналастырылған жарық көзінен шығарылатын спектрлік сызық үштен артық құраушыларға жіктеледі. Бұл (1.4.10) өрнегінен көрініп тұрғандай, деңгейлердің өздерінің жіктелуінің g Ланде көбейткішіне тәуелділігіне байланысты, яғни ақыр аяғында электронның спині және оның екі еселенген магнетизмі болуымен байланысты.

Күрделі Зееман эффекті спектрлік сызықтардың зеемандық жіктелуі нәзік түзіліс құраушылары аралығымен салыстырғанда кіші болатын әлсіз магнит өрісінде байқалады.

Берілген спектрлік сызық әлсіз магнит өрісінде қандай Зееман эффектісіне (қарапайым, әлде күрделі) душар болатынына бірден жауап беру әрқашан мүмкін бола бермейді. Мысалы, а) ²D_5/2²P_3/2; б) ⁵I₅⁵H₄ ауысуларында пайда болатын сызықтарды алайық. Бәрінен бұрын кванттық ауысу болатын күйлерде g Ланде факторы бірдей бола ма, әлде болмай ма, соны тексеру керек. Бұған (1.4.8) көмегімен көз жеткізуге болады. Сонда а) g₁g₂, сондықтан Зееман эффекті күрделі; б) g₁=g₂ , демек- Зееман эффекті қарапайым болады екен.