Фізика

Ефект Зеемана, який допомагає виміряти магнітне поле Сонця

Ефект Зеемана, який допомагає виміряти магнітне поле Сонця

Наприкінці 1800-х років учений на ім'я Пітер Зіман спалював натрій у своїй лабораторії, коли зробив відкриття, яке поширюватиметься в області електромагнетики до кінця історії.

Спалюючи натрій на пальнику Бунзена, Земан спостерігав яскраві D-лінії, які випромінює цей елемент, - по суті, лише спектр світлових променів, подібних до тих, що надходять від Сонця. Він вирішив піддати палаючий натрій магнітному полю і помітив, що лінії розширюються і змінюються.

Земан виявив, що на світло можуть впливати електромагнітні сили. Надалі це називатиметься ефектом Зеемана. Щоб зрозуміти внесок Пітера Зеемана у область фізики, а також зрозуміти, що саме являє собою ефект Зеемана, давайте заглибимось детальніше.

Що таке ефект Зеемана?

Ефект Зеемана, пояснений просто, полягає в розщепленні спектральної лінії впливом магнітного поля. Спектральні лінії при спалюванні натрію, як і оригінальний експеримент, проведений Зееманом, були трохи менше 600 нм. У цьому випадку використання лінії будуть розділені через дію статичного магнітного поля, що створює більш і менш енергійну лінію на додаток до оригіналу.

Що саме спричиняє цю взаємодію, це те, що статичне магнітне поле перевищує крутний момент на квантові частинки у світлі, впливаючи на кутовий момент цих частинок.

Розуміючи це на ще більш технічному рівні, p-орбіталь, термін, що використовується для опису ймовірних місць, де електрон може бути знайдений у будь-який момент часу, має три потенційні квантові стани, в які він може вироджуватися без втрат енергії. Однак, як ми вже зазначали раніше, піддаючи світлові лінії статичному магнітному полю виробляються три різні рівні енергії - низький, вихідний та високий.

Кожен квантовий стан р-орбіталі також має пов'язаний з ним магнітний диполь, тому, коли магнітне поле контактує з квантовими станами, воно розділяє їх на три різні рівні енергії.

Один із станів підвищує енергію лінії, один знижує енергію, а інший залишається на тій же енергії. Оскільки ці квантові стани відокремлюють та змінюють енергії, вони створюють три різні спектральні лінії трохи різної енергії.

Все ще насправді не стежите? Що ж, підсумовуючи те, що я щойно сказав, це відомий як найпростіший випадок ефекту Зеемана, який інакше називають Нормальним ефектом Зеемана.

ПОВ’ЯЗАНІ: МАГНІТНИЙ ІНСТРУМЕНТ, ЯКИЙ ВИДАЛЯЄ ХВОРОБИ З КРОВІ НАБОРУ ДЛЯ СУДОВОГО СУДУ

Повернувшись на секунду до реальності, ми можемо зрозуміти, що ефект Зеемана - це розщеплення світлових хвиль на різні енергії на основі сил статичного магнітного поля. То чим це корисно?

Це корисно в областях, де нам потрібно виміряти напруженість магнітного поля.

Ефект Зеемана корелює довжини хвиль світлових хвиль із силою магнітного поля, що їх спричинила. Це означає, що за деякою непростою математикою вчені можуть обчислити назад і визначити розмір вихідного магнітного поля, яке спричинило ефект Зеемана.

Спектральні лінії ртутної лампи на довжині хвилі 546,1 нм, що демонструють аномальний ефект Зеемана на зображенні нижче.
А. Без магнітного поля
B. З магнітним полем спектральні лінії розщеплюються як поперечний ефект Зеемана
C. З магнітним полем, розділеним як поздовжній ефект Зеемана

Це особливо корисно при спостереженні та моніторингу магнітного поля Сонця та інших плазмових тіл. Це також вступає в силу при різних формах спектроскопії і навіть використовується при МРТ. Також є ймовірність того, що птахи скористаються ефектом Зеемана, щоб отримати більш пильний контроль за зміною магнітних полів.

Тепер, коли я зробив усе можливе, щоб пояснити ефект Зеемана та його використання, повернімось до його відкриття та подивимося, що саме спричинило цей науковий принцип.

Як був виявлений ефект Зеемана?

У 19 столітті вчені вперше почали зламати код і зв’язки між електрикою, світлом та магнетизмом. Одним з найкращих учених, що працював над цим на той час, був чоловік на ім’я Гендрік Лоренц. Лоренц надалі відіграватиме вирішальну роль у відкритті ефекту Зеемана, але він також особливо вивів рівняння перетворення теорії спеціальної відносності Ейнштейна.

Лоренц виявив, що речовини випромінюють і поглинають світло на різних фіксованих довжинах хвиль. По суті, кожна існуюча речовина має різний характерний спектр світла, який вона випромінює.

У 1986 році Пітер Земан вивчав, як на світло впливають магнітні поля. в одному зі своїх експериментів із спалюванням натрію як джерела світла він помітив, що лінії в спектрі світла розділилися на кілька ліній після впливу на нього магнітного поля.

ПОВ'ЯЗАНІ: ЧИ МОЖЛИВО ВАМ АЛЕРГІЧНО ДО WI-FI?

У цьому випадку Зееман був експериментатором, таким чином першим, хто спостерігав і відзначав ефект. Тоді Лоренц був наставником Зеемана, і, працюючи разом, вони зрозуміли, що зміни в лініях світла можна пояснити електронною теорією, яку сформулював Лоренц.

Замість того, щоб намагатись сам пояснити теорію електронів і, мабуть, зіпсувати її, я дозволю Лоренцу пояснити це сам у своїй промові про прийняття Нобелівської премії, зробленій у 1902 році.

"Коли професор Земан зробив своє відкриття, теорія електронів була повною за своїми основними ознаками і в змозі інтерпретувати нове явище. Людина, яка заселила весь світ електронами і змусила їх вібрувати зі світлом, не буде скрупулюватись припускати, що це також електрони, які вібрують у частинках розжареної речовини та викликають випромінювання світла. Коливальний електрон являє собою як би хвилинний герцовий вібратор; його вплив на навколишній ефір майже такий самий, як і той ефект, який ми маємо, коли беремося за кінець натягнутого шнура і встановлюємо знайомі хвилі руху в мотузці, рухаючи його туди-сюди. Що стосується сили, яка спричиняє зміну вібрацій у магнітному полі, то в основному це сила, прояви якої вперше спостерігав Ерстед, коли він виявив вплив струму на стрілку компаса ".

Якщо ви ще цього не взяли, Лоренц і Земан виграли Нобелівську премію з фізики в 1902 році за відкриття теорії Зеемана.

Сьогодні ефект Зеемана продовжує допомагати фізикам визначати рівень енергії в атомах і визначати їх кутовий момент. Це чудовий спосіб вивчити ядерний та інший магнітний резонанс. Нарешті, він використовується для вимірювання магнітних полів зірок.

Хоча всі ці поля, ймовірно, занадто складні, щоб ми могли їх повністю зрозуміти, ми можемо визнати, що ефект Зеемана назавжди змінив наше розуміння взаємодії магнітно-світла.


Перегляньте відео: Клімат останнього тисячоліття і виклики майбутнього он-лайн лекція (Жовтень 2021).