TIỂU LUẬN MÔN QUANG PHỔ HỌC ĐỀ TÀI "
HIỆU ỨNG ZEEMAN "


HIỆU ỨNG ZEEMAN
1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA VẬT LÝ
LỚP CAO HỌC K16-QUANG HỌC

1
N
i
i
S s



 
(1)
Những lớp vỏ có đầy electron thì không đóng góp spin cho nguyên tử, vì
vậy ta chỉ cần khảo sát những electron hóa trị ở lớp ngoài. Vì tất cả các
electron đều có spin bằng 1/2 , cho nên ta không thể có được S=0 từ các
nguyên tử có số lẻ electron ở lớp ngoài cùng. Tuy nhiên nếu có một số chẵn
HIỆU ỨNG ZEEMAN
2

electron hóa trị thì ta sẽ có được trạng thái S=0 . Chẳng hạn, nếu có hai
electron, thì spin tổng là
1 2
S S S
 
  
có thể có độ lớn bằng 0 hoặc bằng 1 . Thực
ra, các trạng thái cơ bản của các nguyên tử hóa trị hai, tức là nhóm II trong
bảng HTTH ( có cấu hình ns
2
) thì luôn luôn có S=0, bởi vì có hai electron sắp
thẳng hàng với spin đối song song.
Mô men từ của nguyên tử có S=0 xuất phát từ sự chuyển động tròn của

B

(3)
Chọn một hệ trục tọa độ cầu trong nguyên tử mà trục z hướng trùng với hường
của từ trường. Trong trường hợp này ta có: B =
0
0
z
B
 
 
 
 
 

Và năng lượng tương tác của nguyên tử là:
E = -


.
B

= 
B
.B
z
.m
l
(4) với
.

của electron l=2 ( thì được tách thành 5 mức con) ,được mô tả trong hình 1:

Hình 1: sự tách Zeeman thường của trạng thái suy biến của một mức nguyên tử với l = 2
bởi trường ngoài.
HIỆU ỨNG ZEEMAN
3

Ảnh hưởng của từ trường lên các vạch quang phổ có thể được hiểu từ sự
tách của các mức năng lượng . Khảo sát các dịch chuyển giữa hai sự tách
Zeeman các mức nguyên tử như trong hình2:

Hình 2: hiệu ứng Zeeman thường đối với dịch chuyển p

d : a) trường ngoài làm tách
các mức m
l
bằng nhau. b) vạch phổ bị tách ra bộ 3 khi quan sát ngang.

Và phải thỏa mãn quy tắc lọc lựa:m
l
= 0, 1. từ đó cho ta 3 dịch chuyển có
tần số được cho bởi:

h

= h

0
+


kết quả này giống kết quả suy ra từ lý thuyết cố điển.
Sự phân cực của các vạch Zeeman được xác định từ quy tắc lọc lựa và
các điệu kiện của quan sát. Nếu ta quan sát dọc theo trường (sự quan sát dọc ),
các photon phải lan truyền dọc theo trục z. Sóng ánh sáng là sóng ngang, và
do đó chỉ có sự phân cực theo các hướng x và y là có thể xẩy ra. Vạch m
l
=
0 phân cực theo trục z thì không quan sát thấy, và ta chỉ có thể quan sát thấy
các phân cực tròn 
+

và 
-
tương ứng với các dịch chuyển m
l
= 1. Khi
quan sát vuông góc với trường(quan sát ngang) thì cả 3 vạch đều không quan
sát được. Dịch chuyển m
l
= 0 là phân cực thẳng song song với trường, còn
HIỆU ỨNG ZEEMAN
4

các dịch chuyển m
l
= 1 thì phân cực thẳng vuông góc với trường. Các kết
quả này được tổng kết trong bảng 1:

J

do
tương tác spin-quỹ đạo gây ra. Điều này được mô tả trong hình 3:
Tốc độ chuyển động tuế sai quanh
B

thì tỷ lệ với cường độ của trường.
Nếu tăng cường độ trường thì tần số chuyển động tuế sai Larmor dần dần lớn
hơn chuyển động tuế sai do tương tác spin -quỹ đạo của
L

và
S

quanh
J

- đây
chính là hiệu ứng Paschen-Back.
Năng lượng tương tác của nguyên tử thì bằng tổng của các tương tác của
mômen từ quỹ đạo và spin với trường:
E =
.
z z
B

 =
or
( ).

hiệu ứng
zeeman thường
HIỆU ỨNG ZEEMAN
5

được xác định. Ta cần phải chiếu
L

và
S

lên
J

, và tiếp tục chiếu lên trục z .
Trong khi đó nguyên tử chịu mômem từ cho bởi :

. .
B
J
g J


 
 

(8)
với

z

( 1) ( 1) ( 1)
2 ( 1)
J J S S L L
J J
    

(10)
Chú ý rằng, nếu S = 0, ta thu được g
J
=1, giống như đã có đối với nguyên tử
chỉ có xung lượng góc . Nếu L=0, thì nguyên tử chỉ có xung lượng góc spin,
ta thu được g
J
=2.

Hình ảnh này được hiểu bằng cách áp dụng quy tắc lọc lựa sau cho J và
M
J
:
J = 0, 1. và M
J
= 0, 1. Các quy tắc này được áp dụng kết hợp với các
quy tắc : L = 1 và S = 0. Các dịch chuyển J = 0 thì bị cấm khi J=0 đối
với cả hai trạng thái , và các dịch chuyển M
J
= 0 bị cấm trong dịch chuyển
J = 0.
Sự phân cực của các dịch chuyển giống như trong hiệu ứng Zeeman thường:
 Với cách quan sát dọc, các dịch chuyển M
J

6

 Với cách quan sát ngang thì các dịch chuyển M
J
= 0 là phân cực thẳng
dọc theo trục z, và các dịch chuyển M
J
= 1 là các phân cực thẳng theo
x và y.
VÍ DỤ: Xét các vạch D trong nguyên tử Na:

Các vạch D của Na tương ứng với dịch chuyển 3p  3s . Khi B = 0, thì
tương tác spin-quỹ đạo làm tách vạch mức trên 3p
2
P thành các mức
2
P
3/2
và
2
P
1/2
với độ rộng 17cm
-1
tương đương với 5100GHz. Mức dưới
2
S
1/2
không bị
tương tác spin-quỹ đạo . Các hệ số Lande của các mức được cho bởi bảng 2:

2
. Các dịch chuyển này được liệt kê trong bảng 3:
HIỆU ỨNG ZEEMAN
8 Các kết quả trong bảng 3 có thể được so sánh với kết quả của hiệu ứng
Zeeman thường. Trong hiệu ứng zeeman thường ta quan sát được 3 vạch với
khoảng cách năng lượng bằng nhau và bằng 
B
.B. Trong hiệu ứng Zeeman dị
thường ta quan sát được nhiều hơn 3 vạch, và thực tế các vạch không cách đều
nhau. Hơn nữa không có vạch nào xẩy ra tại cùng tần số với vạch khi không
suy biến có B = 0.

III- HIỆU ỨNG PASCHEN-BACK:

Hiệu ứng Paschen-Back được quan sát trong từ trường rất mạnh. Điều
kiện để quan sát được hiệu ứng Paschen-Back là tương tác của từ trường
ngoài phải lớn hơn rất nhiều tương tác spin-quỹ đạo :

B
.B
z


E
so
(11)
Nếu điều kiện này được thỏa mãn thì tốc độ chuyển động tuế sai quanh trường


Đây là một trường rất mạnh,và không thể đạt được trong các điều kiện phòng
thí nghiệm thông thường. Mặt khác, vì tương tác spin-quỹ đạo giảm theo số
nguyên tử Z , sự tách đối với dịch chuyển tương đương trong nguyên tử Li chỉ
vào khoảng 0,3 cm
-1
. Điều này có nghĩa là, ta có thể chỉ cần đạt được độ
mạnh của trường trong khoảng

0,6T. Điều này thì dễ dàng đạt được và cho
phép quan sát được hiệu ứng Paschen-Back.
Trong hiệu ứng Paschen-Back, tương tác spin-quỹ đạo được giả sử là
nhỏ và bỏ qua, còn L và S thì không còn liên kết với nhau . Mỗi chuyển động
tuế sai riêng rẽ quanh B , giống như phác họa trong hình 5. Các tốc độ chuyển
động tuế sai của L và S là khác nhau bởi vì các giá trị g là khác nhau . Do đó
độ lớn của mômen góc toàn phần J biến thiên theo thời gian : số lượng tử J
không còn là hằng số của chuyển động .

Năng lượng tương tác bây giờ được tính bằng cách cộng các đóng góp bị
tách ra của các năng lượng spin và quỹ đạo :

or
. ( ). ( )
bital spin
z z z z z L S S B z
E B B M g M B
   
        (13)
Dịch chuyển của các vạch phổ thì được cho bởi:


Khi B=0 thì các vạch bị tách bởi tương tác spin-quỹ đạo. Khi trường yếu thì ta
quan sát được hiệu ứng Zeeman dị thường, còn trường manh ta quan sát được
hiệu ứng Paschen-Back
Hình 6: chuỗi sơ đồ của phổ quang học đối với các dịch chuyển p

s của các kim loại
kiềm với sự tăng của từ trường. HẾT