Hiệu ứng Zeemann là hiện tượng tách các mức năng lượng của nguyên tử, phân tử và tinh thể phát sáng đặt trong từ trường. Hiệu ứng này được tìm thấy (năm ì896) khi phát hiện sự tách các vạch quang phổ phát xạ. Ở đây cần phân biệt hai loại hiệu
ứng Zeemann:
- Hiệu ứng Zeemann thường là hiện tượng tách các vạch quang phổ trong từ
trường mạnh (hiện tượng này thường quan sát được đối với nguyên tử không có mômen spin).
- Hiệu ứng Zeemann dị thường là hiện tượng tách các vạch quang phổ trong từ
trường yếu (hiện tượng này thường quan sát được đối với nguyên tử có mômen spin khác 0).
Để quan sát hiện tượng Zeemann thường ta đặt một nơtron hyđro phát sáng vào trong một từ trường mạnh do một nam châm điện tạo ra (h.3-8a).
vectơ cảm ứng từ B của từ trường thì thấy mỗi vạch quang phổ của nguyên tử hyđro bị tách thành ba vạch sít nhau (h.3-8b).
Hiện tượng Zeemann được giải thích như sau: Vì electron có mômen từμ nên khi nguyên tử hyđro đặt trong từ trường B, từ trường tác dụng lên nguyên tử, do tương tác đó mà electron có thêm năng lượng phụ (bằng thế năng của hệ trong từ trường):
Nếu ta chọn trục z hướng theo từ trường B thì hình chiếu của μ trên B
chính là, μz. Vậy:
ΔW = - μzB = mμBB.
Như vậy, khi nguyên tử hyđro đặt trong từ trường, năng lượng của electron không những phụ thuộc vào số lượng tử chính n mà còn phụ thuộc vào số lượng tử từ
m và bằng:
trong đó Wn - năng lượng của electron khi nguyên tử hyđro không đặt trong từ trường. Năng lượng Wn không phụ thuộc vào số lượng tử từ m: các trạng thái có cùng giá trị của số lượng tử n, nhưng có số lượng tử âm khác nhau thì có cùng một giá trị năng lượng, ta nói có sự suy biến theo số lượng tử m. Sự suy biến theo m là tính chất chung của mọi chuyển động trong trường xuyên tâm.
Khi đặt nguyên tử vào trong từ trường thì các trạng thái có cùng n nhưng khác m có năng lượng khác nhau, ta nói mất đi sự suy biến theo m. Nói cách khác, một mức năng lượng ứng với một giá trị đã cho của n khi chưa đặt trong từ trường sẽ bị tách thành nhiều mức (khi đặt trong từ trường), tùy theo số giá trị có thể có của m. Khi đó ta nói có sự tách mức năng lượng. Sự tách mức năng lượng gây nên hiện tượng tách vạch quang phổ. Những mức năng lượng bị tách ra thì cách đều nhau và khoảng cách năng lượng giữa hai mức lân cận nhau là:
Ví dụ: Xét mức năng lượng 2p, tức là n=2, l=l. Khi không có từ trường, mức này là chung cho các trạng thái có giá trị của số lượng tử từ m = -l,0,+ 1. Phân tích bức xạ
này trong máy phổ ta được một vạch quang phổ. Nhưng khi đặt nguyên tử trong từ
trường thì mức 2p tách thành ba mức ứng với ba giá trị khác nhau của m (h.3-9a phần
ứng với l=l) ; còn mức ls (tức là mức năng lượng thấp nhất) không bị tách khi đặt trong từ trường, vì mức này chỉứng với một giá trị m = 0 (h.3-9b).
Như ta đã biết, khi electron chuyển từ trạng thái ứng với mức năng lượng W’2
sang trạng thái ứng với mức năng lượng W'l thấp hơn thì nguyên tử sẽ phát ra bức xạ điện từ có tần số bằng:
Nhưng − =γ
h
W2 W1
là tần số của vạch quang phố hyđro khi nguyên tử hyđro không đặt trong từ trường. Do đó tần số của vạch quang phổ bức xạ phát ra là:
Vì năng lượng của electron còn phụ thuộc vào số lượng tử từ m, nên khi electron chuyển trạng thái còn phải tuân theo quy tắc lựa chọn đối với m. Theo cơ học lượng tử, quy tắc lựa chọn đối với m là Δm = 0, ±1.
Từđây ta thấy tần sốγ’ có thể có ba giá trị:
(khi có từ trường), trong đó vạch chính giữa cùng với vạch cũ (quan sát được nhờ máy quang phổ). Khi tính toán được các mức năng lượng tách ra và biết quy luật chuyển trạng thái thì có thể suy ra được sự tách vạch quang phổ. Ngược lại quan sát được hiện tượng tách vạch quang phổ và căn cứ vào quy luật chuyển trạng thái thì ta có thể nhận biết được các mức năng lượng bị tách ra như thế nào.
Tóm lại, dưới tác dụng của một từ trường (ngoài) mỗi mức năng lượng sẽ tách thành (2l + 1) mức con, cách đều nhau, với khoảng cách giữa hai mức tỷ lệ với B. Tác dụng của từ trường đã làm xuất hiện nhiều mức năng lượng và do đó phổ của nguyên tử sẽ có thêm các vạch phụ khi nguyên tử được đặt trong từ trường. Việc tách gián
đoạn các vạch quang phổ là một minh chứng thực nghiệm chỉ rõ hiện tượng lượng tử
hóa mômen động lượng quỹ đạo. Quả vậy, nếu t không bị lượng tử hóa, thì LZ sẽ có các giá trị bất kỳ (như trong mẫu Bohr) và các vạch quang phổ sẽ nhoè ra tạo thành một dự sáng liên tục. Suy đoán này trái với kết quả quan sát bằng thực nghiệm: các vạch quang phổ gián đoạn chứ không phải là liên tục. Điều đó chứng tỏ mômen động lượng quỹđạo L bị lượng tử hóa. Tuy nhiên quá trình phân tích ở trên không thể giải thích đầy đủ tất cả các vạch quang phổ quan sát được trong thí nghiệm của Zeemann. Bởi vì trong phổ có xuất hiện những vạch phụ, thuộc phạm vi của hiệu ứng Zeemann dị thường. Để giải thích hiệu ứng Zeemann chúng ta cần phải sử dụng khái niệm về
spin của electron.
3-4. SPIN-MÔMEN RIÊNG VÀ MÔMEN TOÀN PHẦN CỦA ELECTRON.
HIỆU ỨNG ZEEMANN DỊ THƯỜNG