Атом во внешнем поле. Эффекты Зеемана и Штарка, страница 2

Таким образом, учет спинового магнитного момента в слабых магнитных полях приводит к аномальному эффекту Зеемана, дающим величину расщепления спектральных линий в виде рациональных дробей от величины нормального расщепления. При этом число линий тонкой структуры становится больше трех. Следует отметить, что при L>>S и для одиночных термов S=0 магнитное расщепление остается нормальным, а уровни с L=S и с J=0, в соответствии с (4) не расщепляются в магнитном поле.

В сильных магнитных полях разрывается связь между суммарными орбитальным и спиновым моментами. В результате взаимодействия с таким полем атом получает дополнительную энергию, равную

,                                           (6)

где числовая функция A(LS), зависящая от квантовых чисел L и S, называется константой LS-связи. Дополнительная энергия зависит только от суммарных орбитальных и спиновых моментов через константу LS-связи и их проекций на направление магнитного поля, но не зависит от полного момента и его проекции. Картина расщепления уровней представлена на рис.1.

Рис.1. Расщепление термов ²P в слабом и сильном магнитных полях.

При этом разрешаются оптические переходы между подуровнями только без изменения спина (DM_S = 0), но при неименном M_L - p-компоненты и при его изменении на ±1 - s-компоненты. В результате при оптических переходах между уровнями, характеризуемыми квантовыми числами J₁ и J₂, возникают компоненты смещенные друг относительно друга на частотный интервал, равный

.                   (7)

Первый член дает нормальное расщепление на три компоненты, а второй дополнительно расщепляет каждую нормальную компоненту на 2S+1 подкомпоненту, частотный интервал между которыми значительно меньше Dn₀.

В сильном магнитном поле за счет диамагнитного взаимодействия дополнительно проявляется квадратичный эффект Зеемана. Этот эффект приводит к смещению компонент спектральной линии в сторону увеличения их частот. Смещение пропорционально n⁴, поэтому квадратичный эффект проявляется на переходах с уровней, характеризуемых большим значением главного квантового числа.

Эффект Штарка – это расщепление или уширение спектральных линий при помещении атома во внешнее электрическое поле. В однородном электрическом поле напряженностью атом получает дополнительную энергию

,                                                 (8)

где  - дипольный момент атома. Однако все матричные элементы дипольного момента, связывающие состояния атома одной четности , например, внутри мультиплетов, равны нулю. Поэтому в первом приближении теории возмущения взаимодействие атома с электрическим полем не должно приводить и изменению энергии атома. Это справедливо практически для всех атомов, кроме атома водорода и водородоподобных ионов – ионы, имеющие один электрон, из-за наличия в них вырождения по орбитальному квантовому числу l, кроме l=0. Вырождение приводит к слабому нарушению сферической симметрии атома.