SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU
ODJEL ZA FIZIKU
Ivan Kunac
Starkov i Zeemanov učinak kod vodikova atoma
Završni rad
Osijek, 2013.SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU
I
ODJEL ZA FIZIKU
Ivan Kunac
Starkov i Zeemanov učinak kod vodikova atoma
Završni rad
Predložen Odjelu za fiziku Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku
radi stjecanja zvanja prvostupnika/ce fizike
Osijek, 2013.
II
"Ovaj završni rad je izrađen u Osijeku pod vodstvom doc.dr.sc. Josipa Brane u sklopu
Sveučilišnog preddiplomskog studija fizike na Odjelu za fiziku Sveučilišta Josipa Jurja
Strossmayera u Osijeku".
III
Sadržaj :
Sažetak……………………………………………………………………………………………… V
Abstract……………………………………………………………………………………………..VI
Uvod………………………………………………………………………………………………..1
Starkov učinak na vodikovom atomu………………………………………………………….. 3
Zeemanov učinak………………………………………………………………………………… 7
Normalni Zeemanov učinak……………………………………………………………………. 9
Anomalni Zeemanov učinak…………………………………………………………………… 11
Primjer 1………………………………………………………………………………………….. 13
Primjer 2 ………………………………………………………………………………………… 14
Zaključak…………………………………………………………………………………………. 15
Literatura………………………………………………………………………………………… 16
Životopis………………………………………………………………………………………… 17
IV
Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Završni rad
Odjel za fiziku
Starkov i Zeemanov učinak
kod vodikova atoma
Ivan Kunac
Sažetak
Ovaj rad je namjenjen zainteresiranim studentima fizike i ostalih prirodnih znanosti. U
ovom radu sam razjasnio kako električno i magnetsko polje djeluju na vodikov atom. Radi
lakšeg predočavanja i usvajanja činjenica vezanih uz ove probleme, u radu su korištene slike,
dijagrami te jednostavne matematičke analize formula. U samom uvodu rada iznesen je povjesni
pregled koji je doveo do otkrića oba efekta te neke zanimljive činjenice. Sam rad se najviše
temelji na matematičkom dokazu Starkovog i Zeemanovog učinka, dok njihove uporabe u svjetu
znanosti nisu iznesene.
Rad je pohranjen u knjižnici Odjela za fiziku
Ključne riječi: električno / magnetsko / polje / spektar / Stark / vodik / Zeeman
Mentor: Josip, Brana, doc.dr.sc
Ocjenjivači:
Rad prihvaćen:
University Josip Juraj Strossmayer Osijek Bachelor of Physics Thesis
Department of Physics
V
Starkov i Zeemanov učinak
kod vodikova atoma
Ivan Kunac
Abstract
This paper is intended for students interested in physics and other natural sciences. In this
paper I explained how electric and magnetic field influence on hydrogen atom. For ease of
presentation and acquisition of facts related to this problems, pictures, diagrams and simple
mathematical analysis of formula is used. In the introduction of this paper there is historical
review that led to the discovery of both effects and some interesting facts. Paper is mostly based
on mathematical proof of Stark and Zeeman effect, while their use in science in not expressed.
Thesis deposited in Department of Physics library
Keywords: electric / magnetic / field / Stark / hydrogen / Zeeman
Supervisor: Josip, Brana, doc.dr.sc
Reviewers:
Thesis accepted:
VI
VII
1. Uvod
Promatrajući spektralne crte koje atom emitira fizičari su shvatili da one imaju
mnogo dublje značenje te povezanost s razumjevanjem atoma nego što se to u samom
početku mislilo. Dublje proučavanje spectra atoma je započelo 1862. kada je Michael
Faraday prvi promatrao spektar koji atom emitira pod djelovanjem magnetskog polja.
Njegovi pokusi nisu imali previše uspjeha te su zaboravljeni nakon kratkog vremena.
1896. godine nakon završetka svoje doktorske desertacije pod vodstvom Hendrika
Lorentza, danski fizičar Pieter Zeeman u svom laboratoriju izvodi pokuse u kojima
promatra i mjeri djeljenje spektralnih linija atoma pod utjecajem jakog magnetskog polja.
1902. godine je za svoj rad dobio Nobelovu nagradu za otkrivanje onoga što je danas
znano kao Zeemanov učinak. Kao nadopunu svog istraživanja, počeo je proučavati izvore
svjetlosti pod utjecajem magnetskog polja, te je otkrio da se spektralne linije djele na
nekoliko djelova pod utjecajem magnetskog polja. Nakon što je saznao za Zeemanov rad
Lorentz je pozvao Zeemana u svoj kabinet i ponudio teorijsko objašnjenje onoga što je
Zeeman otkrio u okviru svoje teorije elektromagnetskog zračenja. Zeemanovo otkriće
bilo je važno iz mnogo razloga. Ono je potvrdilo Lorentzove pretpostavke da je svjetlost
koja se emirita pod utjecajem magnetskog polja polarizirana. Također postalo je očito da
čestice koje osciliraju unutar atoma i koje su prema Lorentzu uzrok emitiranja svjetlosti,
negativno naelektrizirane, da su nekoliko tisuća puta lakše od vodikovog atoma. To je
bilo prije nego je Thompson objavio svoj rad o otkriću elektrona (1897.). Stoga je
Zeemanov rad postao važna karika u otkrivanju strukture atoma i stvaranju kvantne
mehanike.
Johannes Stark je, 1913. godine po uzoru na Zeemanove eksperimente
izvodio slične eksperimente, ali sa elektičnim poljem. On je svojim pokusima otkrio
djeljenje spektralnih linija atoma koji se nalaze unutar elektičnog polja. Mnogi raniji
eksperimenti su propali zbog neuspjelih pokušaja održavanja jakog električnog polja u
konvencionalnim spektroskopskim izvorima. Pokušaji su propali zbog toga što je dolazilo
do čestih izboja uzrokovanih velikom vodljivosću plinov. Stark je promatrao spektar
vodika emitiran pomoću pozitivne cijevi koja je stajala uz katodu. Uz pomoć druge
electrode uspio je dobiti jako električno polje na malom prostoru. To jako elektično polje
1
bilo je intenziteta 105 Vcm
. Stark je promatrao kako je vodikova Balmerova serija
podjeljena u nekoliko simetričnih dijelova od kojih su neki bili polarizirani. Za svoj rad
Stark je dobio Nobelovu nagradu. Učinak je otkriven iste godine neovisno o Starku od
strane talijanskog fizičara Antonio Lo Surdo pa se često u literaturi može naći naziv
Stark-Lo Surdo učinak. Inspiriran Lorentzovim objašnjenjem Zeemanovog učinka,
Woldemar Voigt je pokušao teorijski objasniti i izračunati Starkova djeljenja koristeći se
klasičnom mehanikom. Dobiveni rezultati bili su nekoliko redova veličina premaleni.
Koristeći Bohr-Sommerfeldovu teoriju, linearni i kvadratni Starkov efekt su sa lakoćom
objašnjeni i matematički dokazani. Ervin Schrodinger 1926. godine u svojem radu
opisuje i objašnjava Starkov učinak pomoću teorije smetnji te je Starkov učinak tako
objašnjen sa stajališta jedne nove fizikalne teorije kvantne mehanike.
Zeemanov i Starkov učinak tako pronalaze novo mjesto u svijetu fizike a to je
mjesto unutar kvantne mehanike gdje su našli svoje objašnjenje. Također oba učinka su
pomogla u gradnji te teorije te tako i kasnije u mnogim drugim otkrićima do kojih se
dolazilo pomoću njih.
2
2.1 Starkov učinak na vodikovom atomu
Kao što je izvorni eksperiment pokazao električno polje različito djeluje na različite
atome. Naime ukoliko je jačina polja mala u odnosu na električno polje jezgre onda se
energetske razine vodikovog atoma (npr. njegov Balmerov niz) cjepaju razmjerno prvom stupnju
električnog polja. To se naziva linarni Starkov učinak. Za sve ostale atome izazvano cjepanje je
razmjerno kvadratu polja. To se naziva kvadratni Starkov učinak. Ukoliko je jačina elektičnog
polja vrlo velika s obzorom na elektično polje koje proizvodi jezgra atoma, onda spektalne linije
sasvim nestanu (isčeznu). U vodikovom atomu se javlja linarni Starkov efekt jer u atomu postoji
degeneracija ne samo po magnetskom kvantnom broju m nego i po orbitalnom kvantnom broju l
što je i uvijet za linarni Starkov efekt. Za ostale atome koji nisu slični vodikovom atomu
degeneracija po l ne postoji pa se stoga linarni Starkov efekt za njih ne razmatra.
Kako je vanjsko električno polje (E) (u originalnim eksperimentima koje je izvodio Stark
to polje je iznosilo oko 104−105 Vcm
) mnogo manje od polja unutar atoma koje stvara jezgra i
koje iznosi
E jezgre=e0
a02 ≈ 5∗107 V
cm ,
(gdje je a0 Bohrov polumjer). Za rješavanje ovog problema koristiti ćemo teoriju smetnji pri
čemu kao smetnju V’ uzimamo potencijalnu energiju elektrona koju on dobila usljed djelovanja
vanjskog električnog polja
H '=e0 Ez , (1,0)
(gdje smo vanjsko elektično polje usmjerili u smjeru osi z, što je zbog izotropnosti prostora
dozvoljeno). Hamiltonijan za vodikov atom koji se nalazi u konstantnom, homogenom
elektičnom polju, zanemarujući spin je:
H=pr
2
2 m+ L2
2 mr2 −Z e2
r−eEz ,
¿ H 0+H ' , (1,1)
H '=−eEz=−eErcosθ .
3
Razmotrimo kako izgledaju kvantna stanja atoma vodika na koje djeluje vanjsko električno polje
za prvo pobuđeno stanje, tj. ukoliko je njegov kvantni broj n=2. Tada su njegove degenerirane
valne funkcije (zapisivat ćemo ih u ǀnlm› notaciji):
ǀ200›, ǀ211›, ǀ210›, ǀ21-1›
Da bismo izračunali promjene u energiji prvog pobuđenog stanja moramo rješiti determinantu :
0=|‹200|H '|200 ›−E ' ‹200∨H '∨211› ‹200∨H '∨210 › ‹200|H '|21−1 ›
‹211∨H '∨200 › ‹ 211|H '|211 ›−E ' ‹211∨H '∨210 › ‹211|H '|21−1 ›
‹210∨H '∨200 › ‹210∨H '∨211› ‹210|H '|210 ›−E ' ‹210|H '|21−1 ›
‹21−1∨H '∨200 › ‹21−1∨H '∨211› ‹ 21−1∨H '∨210 › ‹ 21−1|H '|21−1›−E '|
(1,2)
Nakon integracije samo dva elementa su razčičiti od nula. Svi elementi s različitim ml stanjima
(kvantnim brojevima) integracijom nestaju, iščeznu zbog ortogonalnosti |nlm› stanja.
Integracijom dobivamo :
‹210|H '|200 ›=‹200|H '|210 ›
¿−ea0 E
32 π∫0
∞
ρ4(2−ρ)e− ρ dρ∫−1
1
d cos θ cos2 θ∫0
2 π
dΦ
¿ eξħ2
mZe=−¿e∨3 E a0 ≡ E '. (1,3)
Kada iskoristimo svojstvo ortogonalnosti i uvrstimo (1,3) u determinati (1,2), dobivamo
determinantu :
|−E1 0 −E ' 00 −E1 0 0
−E ' 0 −E1 00 0 0 −E1|=0, (1,4)
gdje je E1 prva popravka energije za prvo pobuđeno stanje.
Kada se ta determinanta rješi dobivamo jednadžbu:
E'2 ( E12−E'2 )=0 , (1,5)
E12 (E12−9 e2 a02 E2 )=0 . (1,6)
Ta jednadžba ima četiri rješenja
E1=0 , 0 ,+ E' ,−E '
Dakle dokazali smo da djelovanjem vanjskog električnog polja na atom vodika u prvom
pobuđenom stanju, tj. sa stanjem n=2 energija se cijepa na tri stanja.
4
Slika 1. Shematski prikaz starkovog efekta na atomu vodika.1
U slučaju kada je projekcija kretanja elektrona u atomu vodika na z-os različita od nule (kada je
njegovo stanje n=2 znaci da je m=±1 u jedinicama ħ) to znači da se elektron pretežno giba u
ravnini (xy) te tada ne dolazi do međudjelovanja sa vanjskim elektičnim poljem te ne dolazi do
cjepanja energetskih razina ( a samim time ne dolazi ni do cjepanja spektralnih crta). Ako je pak
projekcija na z-os kretanja elektrona u atomu vodika jednaka nuli (m=0 u jedinicama ħ) tada se
elektrom pretežno giba u ravnini gdje se nalazi os z, te tada dolazi do cjepanja energetskih razina
(a samim time i do cijepanja spektralnih crta).
Slika 2. Cjepanje prvog pobuđenog stanja vodikovog atoma u elektičnom polju.
a - energetska razina bez polja (E=0)
b – energetska razina u polju (E≠0)
Starkov efekt se može i kvalitativno objasniti. Valna funkcija koja opisuje vodikov atom u stanju
n=2, l=1 nema centralnu simetriju, te se u atomu pojavljuje električni dipolni moment p te zbog
tog elektičnog dipolnog momenta atom u vanjskom elektičnom polju dobiva dodatnu energiju
( koju smo mi uveli kao smetnju):
E=−pξ cos α , (1,7)1 http://i.stack.imgur.com/zO0Zt.png
5
−Rħ4
−Rħ4
+3e a0 ξ
−Rħ4
+3e a0 ξ
−Rħ4
a)b)
gdje je α kut između elektičnog dipolnog momenta i z-osi.
Takav elektični dipolni moment je uzrok pojavljivanja linearnog Starkovog učinak u atomu
vodika. Ukoliko bi se atom stavio u jače električno polje pojavilo bi se naknadno cjepanje
spektalnih linija koje je izazvano degeneracijom po magnetskom kvantnom broju što se opisuje
višim članovima u računu smetnji . Ukoliko jos više pojačamo vanjsko električno polje (iznad
105 Vcm
) dolazi do ionizacije atoma, tj. Atom izbacuje elektron koji se nalazi na osnovnom nivou
te Starkov efekt nestaje.
6
2. Zeemanov učinak
Zeemanov učinak podrazumjeva promjenu u energiji kvantiziranjih stanja atoma. To se
pokazuje kao “pomjeranje” frekvencija, a samim time i valnih duljina spektralnih crta koje atom
emitira. Naime ako dođe do pomjeranja energija u jednom ili oba stanja koje sudjeluju u
prijelazu elektrona koji emitira foton (tj. spektralnu crtu), to će se opaziti kao pomjeranje
frekvencija (valnih duljina) jer već po Bohrovom modelu frekvencija emitirane svijetlosti
(fotona) jednaka je :
ν=E i−E f
h ,
gdje je Ei energija početno stanje, a E f energija konačnog stanja.
Često dijelimo Zeemanov učinak na normalni i anomalni iz povijesnih razloga.
Zeemanov učinak s ukupnim spinom elektrona jednakim nuli nazivamo normalni
Zeemanov učinak, a ukoliko je ukupan spin elektrona različit od nule nazivamo anomalni
Zeemanov učinak. Učinak je nazvan anomalni iz razloga što spin jos nije bio otkriven, te
zbog toga nije postojalo objašnjenje kada je učinak bio promatran.
To se najlakše vidi kod vodikovog atoma npr. u prvom pobuđenom stanju. Ukoliko
zanemarimo spin (tj. magnetsko polje je slabo) prvo pobuđeno stanje vodikovog atoma cijepa se
na tri razine, ali ako vršimo finija mjerenja svako od tih stanja cijepa se na jos dva stanja zbog
spina.
Za Zeemanov učinak u vodikovom atomu potrebno nam je homogeno magnetsko
polje koje ćemo usmjeriti u smijeru osi z. Počinjemo od Hamiltonijana čestice koja ima
naboj e
H= 12 m
( p− ec
A )2
+eΦ− eħ2 mc
σB , (2,1)
Gdje je A⃗ vektorski potencijal, a Φ Coulombov potencijal.
Zbog toga što je magnetsko polje slabo, zanemarujemo članove sa A⃗2 i koristeći
relaciju ¿ A=0 pa je od Hamiltonijana (2,1)Schrödingerova jednadzba :
( p⃗2
2m− e
mcA⃗∗ p⃗+eΦ− eħ
2 mcB⃗ σ⃗)Ψ =iħ
∂∂t
Ψ . (2,2)
Umjesto izraza A⃗∗ p⃗ uvodimo operator kutne količine gibanja
A⃗∗ p⃗=−B2
( y px−x py )= iħB2 ( y
∂∂ x
−x∂
∂ y )= B2
L z . (2,3)
7
Uvrštavajući jednadžbu (2,3) zajedno sa supstitucijom H 0=p2
2 m+eΦu jednadžbu
(2,2) dobivamo
iħ∂
∂ tΨ=H 0 Ψ− eB
2 mc∗(Lz+ħσ )Ψ . (2,4)
Priroda našeg zadatka je takva da nas zanimaju samo energije stacionarnih stanja pa valnu
jednadžbu možemo zapisati i sljedećem obliku
H 0 Ψ− eB2 mc
( L z+ħ σ z ) Ψ =EΨ . (2,5)
Uvrštavajući izaz za Larmorovu frekvenciju koja iznosi :
ωl=eB
2mc
i zapisivajući jednadžbu (2,5) u notaciji koja koristi spin čestice, dobivamo jednadžbu :
H 0(Ψ 1
Ψ 2)+ωL [L z+ħ(1 0
0 −1)](Ψ 1
Ψ 2)=E(Ψ 1
Ψ 2) . (2,6)
Kada bismo jednadžbu (2,6) rastavili po komponentama spina dobivamo sljedeće dvije
jednadžbe
H 0 Ψ 1+ωl ( Lz+ħ ) Ψ 1=E Ψ 1
H 0 Ψ 2+ωl ( Lz−ħ )Ψ 2=E Ψ 2 (2,7)
Kao što vidimo iz jednadžba (2,7) ukoliko se atom ne bi nalazio unutar djelovanja vanjskog
magnetskog polja za rješenje bismo dobili svojstvene vrijednosti funkcije H 0. U ovom slučaju
naša rješenja ovih jednadžbi su malo drugačija. Za rješenja jednadžbi (2,7) dobivamo
E'=E0+ωl ħ(m+1) za Ψ 1
te
E'=E0+ωl ħ(m−1) za Ψ 2 (2,8)
gdje je m=0 ,± 1 ,± 2 , …
To su opća rješenja koja dobivamo rješavajući Schrödingerovu jednadžbu za Zeemanov učinak.
Zbog magnetskog polja energija ovisi o orijentaciji magnetskog momenta atoma s obzirom na
orijentaciju vanjskog magnetskog polja.
8
Zeemanov efekt Lorentz je objašnjavao predpostavljajući da se elektron u vodikovom atomu bez
utjecaja vanjskog magnetskog polja giba po kružnici te je centripetalna – Coulombova sila
−14 π ε0
e2
r2 jednaka centrifugalnoj silimr ω2 :
−14 π ε0
e2
r2 =mr ω2(2,9)
Kada uključimo vanjsko homogeno magnetsko polje na elektron djeluje jos i Lorentzova sila :
±erBω
c pa je ukupna sila sada izkjednačena s centrifugalnom silom mr (ω± Δω)2, jer se kutna
frekvencija mjenja zbog djelovanja Lorentzove sile za Δω :
−14 π ε0
e2
r2 ±erBω
c=mr (ω± Δω)2
. (2,10)
Ukoliko u jednadžbu (2,10) uvrstimo (2,9) dobivamo :
mr ω2 ±erBω
c=mr ω2± 2 mrω∗Δω+mr (Δω)2
, (2,11)
Ukoliko je popravka malena tada je Δω2 ≈ 0 pa je :
Δω=±eB
2 mc(2,12)
Dobivamo pomak u frekvencijama vrtnje elektrona oko svoje jezgre, a samim time dobivamo i
pomak u energetskim razinama elektrona.
Slika 32.slika prikazuje ovisnost frekvencije elektrona s obzirom na vanjsko magnetsko polje
2.1 Normalni Zeemanov učinak
2 http://www.accessscience.com/loadBinary.aspx?filename=754200FG0020.gif
9
Kada razmatramo normalni Zeemanov efekt spin elektrona je jednak nula ( a time
i njegova spinska količina gibanja S ) stoga je ukupni moment količine gibanja elektrona
J jednak kutnoj količini gibanja elektrona L. Kada takav atom stavimo u vanjsko
magnetsko polje, njegova energija se mjenja zbog energije međudjelovanjavanjskog
magnetskog polja i njegovoga magnetskog momenta. Ta promjena u energiji iznosi
ΔE=−μ B=−μz B (2,1,1)
gdje z označava smjer magnetskog polja. To je potencijalna energija elektrona koji se nalazi
unutar magnetskog polja. Ukoliko μz naspišemo pomoću Bohrovog magnetona μB=eħ
2me
dobivamo :
ΔE=mleħ
2me
B=ml μB B ,
(2,1,2)
Gdje je ml magnetski kvantni broj. On je ograničen na 2 l+1 vrijednosti za zadanu vrijednost gdje
l predstavlja orbitalni moment količine gibanja, što znači da se svaka energetska razina l cijepa
na 2 l+1pod razina.
10
Slika 4.3 Slika prikazuje cijepanje energetskih razina kod normalnog Zeemanovog učinka za
razine l=2 i l=1. Devet prijelaza je u skladu s kvantnim ograničenjem na dozvoljene (dipolne)
prijelaze Δm=0 , ±1
Zbog ograničavanja prijelaza na Δm=0 , ±1 moguće su samo tri različite energije prilikom
prijelaza sa razine l=2 na razinu l=1. Te energije su :
Δm=+1 -> E=E0+eħ
2me
B ,
Δm=0 -> E=E0 ,
Δm=−1 -> E=E0−eħ
2me
B . (2,1,4)
Vidimo da su samo ove razlike energije moguće prilikom prijelaza sa stanja l=2 na stanje l=1.
Promjena u frekvenciji spektralnih crta koje atom emitira je energija podjeljena sa h prema
formuli
E=h∗ν (2,1,5)
gdje h označava Planckovu konstantu, a ν frekvenciju fotona. Iz te formule je vidljivo da od
jedne spektralne crte te jedne energije mi dobivamo 3 spektralne crte, tj. tri energije koje se
razlikuju za frekvenciju ±eħ
2 me
B, ili 0.
2.2 Anomalni Zeemanov učinak
Kao što je naglašeno u samom uvodu o Zeemanovom efektu, anomalni Zeemanov
efekt se očituje onda kada je spin atoma različit od nule. Dakle razmatramo atom koji ima
kutni moment količine gibanja L i spinski moment količine gibanja, tj. spin S. Ukupan
moment količine gibanja tog atoma jednak je zbroju kutnog momenta količine gibanja i
spina :
J=L+S (2,2,1)
A ukupni magnetski moment jednak je tada :
3 http://prntscr.com/1s0182
11
μ=−g l μbLħ−gs μb
Sħ
. (2,2,2)
Kako je gl približno gl ≈ 1 , a gs je približno gs ≈ 2 , jednadžba prelazi u :
μ=−μb
ħ(L+2S ) (2,2,3)
Slika 5.4
Slika 5. prikazuje vektorski model kako L i S tvore ukupan moment količine gibanja J.
Magnetski momenti su prikazani tamnijim vektorima. Slični vektorski dijagrami mogu biti
korišteni za računanje energetske razlike između stanja u atomu.
Razlike u energiji iznose :
ΔE=g m jeħB2 m
=g m j μB B , (2,2,4)
gdje je m j ukupni magnetski kvantni broj koji prima vrijednosti m j=±12
, ±32
, …, ± j , μB je
Bohrov magneton a g je Lande-ov faktor koji je zadan formulom :
g=1+j( j+1)+s (s+1)−l(l+1)
2 j( j+1) (2,2,5)
gdje su j, s, l kvantni brojevi, koji imaju za vodik vrijednosti j=12
,32
,52
,… ,s=12
, l=0 , 1 , 2...
Primjetimo ukoliko uvrstimo u jednadžbu (2,2,5) da je spin atoma jednak nuli, te da je j=l
slijedi g=1 dobivamo normalni Zeemanov efekt.
4 http://prntscr.com/1s163k
12
Vidimo da vanjsko magnetsko polje djeli svako stanje J na (2J+1) novih stanja gdje je
energetska razlika između njih jednaka ΔE te svaki nivo pripada drugom magnetskom kvantnom
broju m j. Anomalni Zeemanov učinak je direktan rezultat spina elektrona.
Ukoliko je vanjsko magnetsko polje dovoljno veliko Zeemanovo cjepanje razina cijepanja zbog
fine strukture (eng. fine-structure splitting) koje je izazvano relativističkim učincima. Ukoliko
povećamo vanjsko magnetsko polje B do određene granice tada možemo zanemariti cjepanje
izazvano spinom elektrona te dobivamo sljedeću relaciju :
ΔE=( ml+2 ms ) eħB2 m
=(ml+2 ms) μb B (2,2,6)
Cjepanje razina je slično kao cjepanje koje dolazi kod normalnog Zeemanovog učinka. Ovakvo
vladanje u cjepanju spektralnih crta za velika magnetska polja se naziva Paschen-Back efekt.
Glavni razlog prelaska iz anomalnog Zeemanovog efekta u Paschen-Back efekt je taj što
energija međudjelovanja vanjskog magnetskog polja i elektrona prevladava nad spin-orbitalnim
međudjelovanjem elektrona te tako razara vezu između L (kutnog momenta količine gibanja
elektrona) i S (spina). Kako se njihova veza raskida tako oni počnu neovisno rotirati oko smjera
magnetskog polja te dobivamo šire crte koje se ustvari sastoje od 2 tanje (spektralne crte postaju
dubleti).
Primjer 1.
Izračunat ćemo cijepanje stanja 2 p u atomu vodika koje nastaje zbog spin
orbitalnog međudjelovanja.
Za 2 p stanje vodika vrijedi ¿2 i l=1 . Za energiju tog stanja:
E2=E11
n2=−13,6∗1
4=−3,4 eV ,
gdje je E1 energija osnovnog stanja vodikova atoma.
13
2 p
2 p 32
2 p 12
ΔEsl
Za razliku energije ΔEsl dobivamo:
ΔEsl=|En|∗Z2 α 2
n∗l∗(l+1 )=
3,4∗12∗( 1137 )
2
2∗1∗2=4,5∗10−5 eV
,
gdje je Z atomski broj, n glavni kvantnibroj ,l orbitalni kvantni broj, a α je konstanta fine
strukture koja iznosi α= 1137
.
14
Primjer 2.
Izračunat ćemo cjepanje stanja 2 p i 3d u vodikovom atomu koje se nalazi unutar vanjskog
homogenog magnetskog polja B=1 T . Usporediti ćemo maksimalnu razliku dobivenu cjepanjem
stanja 3 d s energijskom razlikom između stanja 2 p i 3d.
Elektron koji se nalazi unutar magnetskog polja dobiva dodatak energiji koja iznosi EB=εm
gdje je m magnetski kvantni broj, a ε iznosi ε=μB∗B=5,79∗10−5 eV , gdje je μB Bohrov
magneton.Stanje 2 p ima tri vrijednosti magnetskog kvantnog broja, m=−1 ,0 , 1. Dodatci energiji su tada :
EB (m=−1 )=−ε=−5,79∗10−5 eV ,
EB (m=0 )=0 eV ,
EB (m=1 )=ε=5,79∗10−5 eV .
Stanje 3 d ima pet vrijednosti magnetskog kvantnog broja, m=−2 ,−1 ,0 , 1 ,2. Dodatci energiji su:
EB (m=−2 )=−2 ε=−11,58∗10−5eV ,
EB (m=−1 )=−ε=−5,79∗10−5 eV ,
EB (m=0 )=0 eV ,
EB (m=1 )=ε=5,79∗10−5 eV ,
EB (m=2 )=2 ε=11,58∗10−5 eV .
Maksimalno cijepanje stanja 3 d je :
ΔE3d=EB (m=2 )−EB ( m=−2 )=2,32∗10−4 eV .
Razmak između razina 2 p i 3d je :
ΔE=E ( n=3 )−E(n=2)=−13,6∗( 1
32 −1
22 )=1,89eV .
15
3. Zaključak
Starkov i Zeemanov učinak imali su važanu ulogu u razvijanju kvantne mehanike. Starkov
učinak opažen je u ranim fazama stvaranja kvantne mehanike. Njegovo matematičko objašnjenje
bilo je nemoguće postići koristeći klasičnu mehaniku, te je sam učinak bio mnogo kompleksniji
od Zeemanovog učinka. Zadovoljavajuće objašnjenje Starkov učinak je pronašao u kvantnoj
mehanici te je služio kao jos jedna potvrda te nove i mlade fizikalne teorije.
Zeemanov učinak predvidio je postojanje spina elektrona te je predpostavio postojanje
energetskih razina unutar atoma. Na taj način postao jedan od temelja gradnje kvantne
mehanike i shvaćanja svjeta. Pomoću tog učinka, sam Zeeman je kasnije dobio eksperimentalnu
vrjednosti za omjer em
za elektron te je uspio zaključiti da su elektroni (koji još tada nisu bili
otkriveni) imali negativan naboj. Njegova zapažanja dovodila su do otkrivanja magnetskog
kvantnog broja unutar kvantne mehanike. Pomoću slabih homogenih magnetskih polja te žarulja
koje su napravljene od nekog kemijskog elementa, Zeemanov učinak se koristi i u obrazovanju
novih naraštaja fizičara približavajući im načela kvantne mehanike radi lakšeg shvaćanja te
kompleksne fizikalne torije.
16
4. Literatura
1) P. Kulišić, Elektromagnetske pojave i struktura tvari, Školska knjiga Zagreb 1991.
2) V. Šips, Uvod u fiziku čvrstog stanja, Školska knjiga Zagreb 1991.
3) I. Supek, Teorijska fizika i struktura materije II dio, Zagreb 1990.
17
5. Životopis
Ime i prezime Ivan KunacAdresa Čakovečka 65, 32010 VukovarTelefon 091/570-1074Mail adresa [email protected] i mjesto rođenja 23.12.1991., RijekaObrazovanje2010 - Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera, Odjel za fiziku
Preddiplomski studij fizike2006 – 2010 Gimnazija Vukovar, Jezična gimnazijaZnanje jezika Hrvatski jezik (maternji jezik), tečan engleski jezik,
pasivno znanje njemačkog jezikaDužnosti 2012- Predsjednik studentskog zbora Odjela za fizikuRadno iskustvo Trenutno bez radnog iskustvaRačunalne vještine Poznavanje MS office paketa, korištenje interneta te baza podataka
18