تأثير زيمان

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

تأثير زيمان هو ظاهرة انشقاق خطوط الطيف لمصدر تحت تأثير مجال مغناطيسي ثابت إلى عدة خطوط، وهي تسمية ترجع إلى العالم الهولندي زيمان الذي اكتشف هذه الظاهرة في أواخر القرن التاسع عشر.وهذا التأثير مشابه لتأثير آخر يسمى تأثير شتارك وهو انشقاق خطوط الطيف إلي عدة خطوط في حالة تعرض المصدر لمجال كهربائ. 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.

رسم يوضح تأثير زيمان

مقدمة[عدل]

توجد في الذرات توزيعات مختلفة للإلكترونات لها طاقة محددة واحدة. لذلك تظهر عدة قفزات للإلكترونات من مدار علوي حول الذرة إلى مار سفلي، تظهر متماثلة علي هيئة خط واحد في الطيف. وفي وجود مجال مغناطيسي خارجي تنشق تلك التوزيعات، حيث يتآثر كل منها مع المجال المغناطيسي بطريقة مختلفة بحسب الأعداد الكمومية لهذه التوزيعات، ذلك لأن الأعداد الكمومية المختلفة تُعبر عن حالات مختلفة لطاقتها وهي فروقا طفيفة. والنتيجة أنه بينما كانت توجد عدة توزيعات بنفس الطاقة، نجد الآن عدة من مستويات الطاقة المختلفة قليلا ً تحت وطأة المجال المغناطيسي، وهي تؤدي إلي انشقاق الخط الطيفي الواحد إلى عدة خطوط.


وطبقا للرسم التوضيحي، تتسم التوزيعات a, b, c بحالة واحدة للطاقة، 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 انه بينما كان يظهر لنا الانتقال من a, b, c إلى d, e, f في خط واحد، يصبح لدينا عدة خطوط بسبب وجود عدة من الانتقالات الممكنة بين a, b, c و d, e, f. ولكن لا يمكن للإلكترون القفز (الانتقال) إلى جميع المستويات المنخفضة d, e, f بلا اثتثناء، وإنما هو محكوم بقفزات مسموحة وأخرى غير مسموحة، بحسب قاعدة لذلك (انظر أسفله).

ونظرا لأن مقدار الانشقاق في خطوط الطيف تتناسب تناسباً طرديا ً مع شدة المجال المغناطيسي الخارجي، يستخدم علماء الفلك تـاثير 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]