जेमान प्रभाव

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तरंग दैर्ध्य 546.1 एनएम पर पारा वाष्प लैंप की वर्णक्रमीय रेखाएँ, असामान्य जेमान प्रभाव दिखा रही हैं। (ए) चुंबकीय क्षेत्र के बिना। (बी) चुंबकीय क्षेत्र के साथ, वर्णक्रमीय रेखाएं अनुप्रस्थ जेमान प्रभाव के रूप में विभाजित होती हैं। (सी) चुंबकीय क्षेत्र के साथ, अनुदैर्ध्य जेमान प्रभाव के रूप में विभाजित। फेब्री-पेरोट इंटरफेरोमीटर का उपयोग करके वर्णक्रमीय रेखाएं प्राप्त की गईं।

File:Breit-rabi-Zeeman.png

⁸⁷आरबी, ठीक संरचना और हाइपरफाइन संरचना विभाजन सहित। यहाँ F = J + I, जहाँ I परमाणु घुमाव है (के लिए ⁸⁷आरबी, आई =3⁄2).

File:Explanation of how the magnetic field on a star affects the light emitted.webm

यह एनीमेशन दिखाता है कि सनस्पॉट (या स्टारस्पॉट) के रूप में क्या होता है और चुंबकीय क्षेत्र की ताकत बढ़ जाती है। मौके से निकलने वाली रोशनी जेमान प्रभाव को प्रदर्शित करने लगती है। उत्सर्जित प्रकाश के स्पेक्ट्रम में डार्क स्पेक्ट्रा लाइनें तीन घटकों में विभाजित हो जाती हैं और स्पेक्ट्रम के कुछ हिस्सों में गोलाकार ध्रुवीकरण की ताकत काफी बढ़ जाती है। यह ध्रुवीकरण प्रभाव तारकीय चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगाने और मापने के लिए खगोलविदों के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।

जेमान प्रभाव (/ˈzeɪmən/; डच उच्चारण: [जेːमैन]) एक स्थिर चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में वर्णक्रमीय रेखा को कई घटकों में विभाजित करने का प्रभाव है। इसका नाम डच भौतिक विज्ञानी पीटर ज़िमन के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने 1896 में इसकी खोज की थी और इस खोज के लिए उन्हें नोबेल पुरस्कार मिला था। यह स्टार्क प्रभाव के अनुरूप है, विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति में वर्णक्रमीय रेखा को कई घटकों में विभाजित करना। स्टार्क प्रभाव के समान, विभिन्न घटकों के बीच संक्रमण, सामान्य रूप से, अलग-अलग तीव्रता के होते हैं, जिनमें से कुछ पूरी तरह से वर्जित होते हैं (द्विध्रुवीय सन्निकटन में), जैसा कि चयन नियमों द्वारा शासित होता है।

चूँकि ज़िमन उप-स्तरों के बीच की दूरी चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति का एक कार्य है, इस प्रभाव का उपयोग चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति को मापने के लिए किया जा सकता है, उदा. वह सूर्य और अन्य तारों का या प्रयोगशाला के प्लाज्मा में। परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, इलेक्ट्रॉन स्पिन अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) और मोसबाउर स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसे अनुप्रयोगों में जेमान प्रभाव बहुत महत्वपूर्ण है। परमाणु अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी में यथार्थता में सुधार के लिए इसका उपयोग भी किया जा सकता है। पक्षियों की चुंबकीय भावना के बारे में एक सिद्धांत मानता है कि ज़ीमेन प्रभाव के कारण रेटिना में प्रोटीन बदल जाता है।

जब वर्णक्रमीय रेखाएँ अवशोषण रेखाएँ होती हैं, तो प्रभाव को व्युत्क्रम जेमान प्रभाव कहा जाता है।

नामकरण

ऐतिहासिक रूप से, सामान्य और विषम जेमान प्रभाव के बीच अंतर करता है (डबलिन, आयरलैंड में थॉमस प्रेस्टन द्वारा खोजा गया)। विषम प्रभाव उन संक्रमणों पर दिखाई देता है जहां इलेक्ट्रॉनों का शुद्ध स्पिन शून्य नहीं होता है। इसे "विसंगतिपूर्ण" कहा जाता था क्योंकि इलेक्ट्रॉन स्पिन अभी तक खोजा नहीं गया था, और इसलिए उस समय इसके लिए कोई अच्छी व्याख्या नहीं थी जब ज़ीमन ने प्रभाव देखा। वोल्फगैंग पाउली याद करते हैं कि जब उनके एक सहकर्मी ने उनसे पूछा कि वे दुखी क्यों दिखते हैं तो उन्होंने जवाब दिया "जब कोई विषम जेमान प्रभाव के बारे में सोच रहा है तो वह कैसे खुश दिख सकता है?"

उच्च चुंबकीय क्षेत्र की ताकत पर प्रभाव रैखिक हो जाता है। परमाणु के आंतरिक क्षेत्र की ताकत की तुलना में उच्च क्षेत्र की ताकत पर, इलेक्ट्रॉन युग्मन परेशान होता है और वर्णक्रमीय रेखाएं पुनर्व्यवस्थित होती हैं। इसे पासचेन-बैक इफेक्ट कहा जाता है।

आधुनिक वैज्ञानिक साहित्य में, इन शब्दों का प्रयोग शायद ही कभी किया जाता है, जिसमें केवल "ज़ीमन प्रभाव" का उपयोग करने की प्रवृत्ति होती है।

सैद्धांतिक प्रस्तुति

चुंबकीय क्षेत्र में एक परमाणु का कुल हैमिल्टनियन होता है

$H=H_{0}+V_{\rm {M}},\$

जहाँ $H_{0}$ परमाणु का क्षोभ हैमिल्टनियन है, और $V_{\rm {M}}$ चुंबकीय क्षेत्र के कारण क्षोभ है:

$V_{\rm {M}}=-{\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}},$

जहाँ ${\vec {\mu }}$ परमाणु का चुम्बकीय आघूर्ण है। चुंबकीय क्षण में इलेक्ट्रॉनिक और परमाणु भाग होते हैं; हालाँकि, बाद वाले परिमाण के कई आदेश छोटे हैं और यहाँ उपेक्षित किया जाएगा। अत:

${\vec {\mu }}\approx -{\frac {\mu _{\rm {B}}g{\vec {J}}}{\hbar }},$

जहाँ $\mu _{\rm {B}}$ बोहर मैग्नेटॉन है ${\vec {J}}$ कुल इलेक्ट्रॉनिक कोणीय गति है, और $g$ लैंडे g-कारक है। अधिक यथार्थ दृष्टिकोण यह ध्यान में रखना है कि एक इलेक्ट्रॉन के चुंबकीय क्षण का संचालक कक्षीय कोणीय गति ${\vec {L}}$ और स्पिन कोणीय गति ${\vec {S}}$ के योगदान का योग है, प्रत्येक के साथ उपयुक्त जाइरोमैग्नेटिक अनुपात से गुणा किया जाता है:

${\vec {\mu }}=-{\frac {\mu _{\rm {B}}(g_{l}{\vec {L}}+g_{s}{\vec {S}})}{\hbar }},$

जहां $g_{l}=1$g और $g_{s}\approx 2.0023192$ (उत्तरार्द्ध को विषम जाइरोमैग्नेटिक अनुपात कहा जाता है; 2 से मान का विचलन क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स (विद्युतगतिकी) के प्रभावों के कारण होता है)। एलएस युग्मन की स्थिति में, परमाणु में सभी इलेक्ट्रॉनों का योग कर सकते हैं:

$g{\vec {J}}=\left\langle \sum _{i}(g_{l}{\vec {l_{i}}}+g_{s}{\vec {s_{i}}})\right\rangle =\left\langle (g_{l}{\vec {L}}+g_{s}{\vec {S}})\right\rangle ,$

जहां ${\vec {L}}$ और ${\vec {S}}$ परमाणु की कुल कक्षीय गति और स्पिन हैं, और कुल कोणीय गति के दिए गए मान के साथ अवस्था पर औसत किया जाता है।

यदि अंतःक्रिया शब्द $V_{M}$ छोटा है (ठीक संरचना से कम), तो इसे क्षोभ के रूप में माना जा सकता है; यह ज़ीमान प्रभाव उचित है। पास्चेन-बैक प्रभाव में, नीचे वर्णित, $V_{M}$ एलएस युग्मन से काफी अधिक है (लेकिन $H_{0}$ की तुलना में अभी भी छोटा है)। अति-प्रबल चुंबकीय क्षेत्रों में, चुंबकीय-क्षेत्र की बातचीत $H_{0}$ से अधिक हो सकती है, जिस स्थिति में परमाणु अपने सामान्य अर्थ में मौजूद नहीं रह सकता है, और इसके बजाय लैंडौ स्तरों के बारे में बात करता है। ऐसे मध्यवर्ती मामले हैं जो इन सीमा मामलों की तुलना में अधिक जटिल हैं।

दुर्बल क्षेत्र (जेमान प्रभाव)

यदि स्पिन-ऑर्बिट परस्पर बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव पर हावी है, तो ${\vec {L}}$ और ${\vec {S}}$ अलग से संरक्षित नहीं होते हैं, केवल कुल कोणीय गति ${\vec {J}}={\vec {L}}+{\vec {S}}$ है। प्रचक्रण और कक्षीय कोणीय संवेग सदिशों को (स्थिर) कुल कोणीय संवेग सदिश ${\vec {J}}$ के बारे में पूर्ववर्ती माना जा सकता है। (समय-) "औसत" स्पिन सदिश तब ${\vec {J}}$की दिशा में स्पिन का प्रक्षेपण होता है:

${\vec {S}}_{\rm {avg}}={\frac {({\vec {S}}\cdot {\vec {J}})}{J^{2}}}{\vec {J}}$

और (समय-) "औसत" कक्षीय सदिश के लिए:

${}_{}$