تأثير زيمان

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

تأثير زيمان هو ظاهرة إنشقاق خطوط الطيف لمصدر تحت تأثير مجال مغناطيسي ثابت إلى عدة خطوط، وهي تسمية ترجع إلى العالم الهولندي بيتر زيمان الذي اكتشف هذه الظاهرة في عام 1896م، وهذا التأثير مشابه لتأثير آخر يسمى تأثير شتارك وهو انشقاق خطوط الطيف إلي عدة خطوط في حالة تعرض المصدر لمجال كهربائي، ويستخدم تأثير زيمان في تطبيقات عديدة في مطياف الرنين المغناطيسي، ومطياف رنين الدوران المغزلي للإلكترون، وفي التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). وكثيرا ما يستخدم تأثير زيمان للتعيين الدقيق للأطياف الامتصاصية للعناصر، وفي حالة قياس خطوط الطيف الامتصاصي، يسمى بتأثير زيمان العكسي.

ظهور إنشقاق لخطوط الطيف عندما تتأثر بمجال مغناطيسي أي عندما B لاتساوي صفر

مقدمة[عدل]

توجد في الذرات توزيعات مختلفة للإلكترونات لها طاقة محددة وواحدة، لذلك تظهر عدة قفزات للإلكترونات من مدار أعلى طاقة حول الذرة إلى مدار أقل طاقة، تظهر متماثلة علي هيئة خط واحد في الطيف، وفي وجود مجال مغناطيسي خارجي تنشق تلك التوزيعات، حيث يتأثر كل منها مع المجال المغناطيسي بطريقة مختلفة بحسب الأعداد الكمية لهذه التوزيعات، ذلك لأن الأعداد الكمية المختلفة تُعبر عن حالات مختلفة لطاقتها وهي فروقاً طفيفة، والنتيجة أنه بينما كانت توجد عدة توزيعات بنفس الطاقة، نجد الآن عدد من مستويات الطاقة المختلفة قليلا ً تحت تأثير المجال المغناطيسي، وهي تؤدي إلي إنشقاق الخط الطيفي الواحد إلى عدة خطوط.


وطبقا للرسم التوضيحي، تتسم التوزيعات a, b, c بأن لها نفس الطاقة، كا ينطبق هذا علي التوزيعات d, e, f التي توجد في حالة طاقة محددة منخفضة عن حالة a, b, c. وفي وجود المجال المغناطيسي تنشق مستويات الطاقة، وينتج عن ذلك أنه بينما كان يظهر لنا الإنتقال من a, b, c إلى d, e, f في خط واحد، يصبح لدينا عدة خطوط بسبب وجود عدد من الإنتقالات الممكنة بين a, b, c و d, e, f. ولكن لا يمكن للإلكترون القفز (الإنتقال) إلى جميع المستويات المنخفضة d, e, f بلا إستثناء، وإنما هو محكوم بقفزات مسموحة وأخرى غير مسموحة، بحسب قاعدة لذلك (انظر أسفله).

ونظرا لأن مقدار الإنشقاق في خطوط الطيف تتناسب تناسباً طرديا ً مع شدة المجال المغناطيسي الخارجي، يستخدم علماء الفلك تـأثير زيمان في قياس المجالات المغناطيسية للشـمس والنجوم الأخرى ومقارنتها.

مثال : الانتقال الخاص بخط لايمان-ألفا في الإيدروجين[عدل]

يشتمل الانتقال المنتمي لخط لايمان-ألفا في الإيدروجين في وجود الارطبات المغزلى -المداري، على الانتقالات التالية:

2P_{1/2} \to 1S_{1/2} و

2P_{3/2} \to 1S_{1/2}.

في وجود مجال مغناطيسي خارجي تنشق كل من الحالتين الكموميتين 1S1/2 ; 2P1/2 إلى مستويين اثنين وهما: m_j = 1/2, -1/2 حيث m_j عدد الكم المغناطيسي (وهو يحتوي في الحالة S على الدوران المغزلى للإلكترون فقط)، وتنشق الحالة 2P3/2 إلى أربعة مستويات للطاقة هم : m_j= 3/2; 1/2; -1/2 ; -3/2 حيث أن l=1 للمدار P، وm_j في هذه الحالة هي محصلة الارطبات بين العزم المغزلي المغناطيسي للإلكترون والعزم المداري المغناطيسي (انظر الشكل).

Zeeman p s doublet.svg

ونلاحظ هنا :

  • أن اتساع الانشقاق بين مستويات الطاقة مختلف باختلاف قيمة m_j إذ أن مقدار الانشقاق يتناسب مع شدة تآثر الإلكترون مع المجال المغناطيسي الخارجي، والذي يحدده معامل يسمي (g - factor) والذي يعتمد على m_j . ونرى إلي اليسار انشقاق الحالة الكمومية P إلى مستويين، وهذا الانشقاق يحدث حتي في غياب المجال المغناطيسي الخارجي، إذ أنه ناتج عن الارتباط المغزلي-المداري، المذكور أعلاه. ونلاحظ علي يمين الرسم الانشقاق الإضافي الناشئ عن تأثير زيمان، والذي يحدت تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي.
  • أنه ليست جميع انتقالات الإلكترون من المستويات العليا إلى المستويات السفلى مسموح بها. فهناك انتقالات مسموحة ،وأخرى غير مسموحة، وتوجد قاعدة تتحكم في تصرف الإلكترون في هذا المجال.

أنظر أيضا ً[عدل]