जेमान प्रभाव

तरंग दैर्ध्य 546.1 एनएम पर पारा वाष्प लैंप की वर्णक्रमीय रेखाएँ, असामान्य Zeeman प्रभाव दिखा रही हैं। (ए) चुंबकीय क्षेत्र के बिना। (बी) चुंबकीय क्षेत्र के साथ, वर्णक्रमीय रेखाएं अनुप्रस्थ Zeeman प्रभाव के रूप में विभाजित होती हैं। (सी) चुंबकीय क्षेत्र के साथ, अनुदैर्ध्य Zeeman 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 Zeeman 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।

Zeeman प्रभाव (/ˈzeɪmən/; Dutch pronunciation: [ˈzeːmɑn]) स्थिर चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में वर्णक्रमीय रेखा को कई घटकों में विभाजित करने का प्रभाव है। इसका नाम नीदरलैंड के 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 तारा ्क प्रभाव के समान है, एक 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 को पूरी तरह से प्रतिबंधित किया जाता है (द्विध्रुवीय सन्निकटन में), जैसा कि चयन नियमों द्वारा शासित होता है।

चूंकि Zeeman उप-स्तरों के बीच की दूरी चुंबकीय क्षेत्र की ताकत का एक कार्य है, इसलिए इस प्रभाव का उपयोग चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को मापने के लिए किया जा सकता है, उदा। वह सूर्य और अन्य तारों का या प्रयोगशाला प्लाज्मा (भौतिकी) में। Zeeman प्रभाव परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, इलेक्ट्रॉन स्पिन अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (MRI) और Mössbauer स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसे अनुप्रयोगों में बहुत महत्वपूर्ण है। इसका उपयोग परमाणु अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी में सटीकता में सुधार के लिए भी किया जा सकता है। पक्षियों की चुंबकीय भावना के बारे में एक सिद्धांत मानता है कि Zeeman प्रभाव के कारण रेटिना में एक प्रोटीन बदल जाता है। जब वर्णक्रमीय रेखाएँ अवशोषण रेखाएँ होती हैं, तो प्रभाव को व्युत्क्रम Zeeman प्रभाव कहा जाता है।

नामकरण

ऐतिहासिक रूप से, कोई सामान्य और विषम Zeeman प्रभाव (डबलिन, आयरलैंड में थॉमस प्रेस्टन (वैज्ञानिक) द्वारा खोजा गया) के बीच अंतर करता है।). विषम प्रभाव संक्रमणों पर दिखाई देता है जहां इलेक्ट्रॉनों का शुद्ध स्पिन (भौतिकी) गैर-शून्य होता है। इसे विषम कहा जाता था क्योंकि इलेक्ट्रॉन स्पिन की खोज अभी तक नहीं हुई थी, और इसलिए उस समय इसके लिए कोई अच्छी व्याख्या नहीं थी जब Zeeman ने प्रभाव देखा। वोल्फगैंग पाउली याद करते हैं कि जब एक सहकर्मी ने उनसे पूछा कि वह दुखी क्यों दिखते हैं तो उन्होंने जवाब दिया कि जब कोई विषम Zeeman प्रभाव के बारे में सोच रहा है तो वह खुश कैसे दिख सकता है? . उच्च चुंबकीय क्षेत्र की ताकत पर प्रभाव रैखिक होना बंद हो जाता है। परमाणु के आंतरिक क्षेत्र की ताकत के बराबर उच्च क्षेत्र की ताकत पर, इलेक्ट्रॉन युग्मन परेशान होता है और वर्णक्रमीय रेखाएं पुनर्व्यवस्थित होती हैं। इसे #मजबूत क्षेत्र (पासचेन-बैक इफेक्ट) कहा जाता है| पासचेन-बैक इफेक्ट।

आधुनिक वैज्ञानिक साहित्य में, इन शब्दों का शायद ही कभी उपयोग किया जाता है, केवल Zeeman प्रभाव का उपयोग करने की प्रवृत्ति के साथ।

सैद्धांतिक प्रस्तुति

एक चुंबकीय क्षेत्र में एक परमाणु का कुल हैमिल्टनियन (क्वांटम यांत्रिकी) है

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

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

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

कहाँ ${\vec {\mu }}$ परमाणु का चुंबकीय क्षण है। चुंबकीय क्षण में इलेक्ट्रॉनिक और परमाणु भाग होते हैं; हालाँकि, उत्तरार्द्ध छोटे परिमाण के कई आदेश हैं और यहाँ उपेक्षित किया जाएगा। इसलिए,

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

कहाँ $\mu _{\rm {B}}$ बोहर चुंबक है, ${\vec {J}}$ कुल इलेक्ट्रॉनिक कोणीय गति है, और $g$ लैंडे जी-फैक्टर है। एक अधिक सटीक दृष्टिकोण यह ध्यान में रखना है कि एक इलेक्ट्रॉन के चुंबकीय क्षण का संचालक कोणीय संवेग संकारक के योगदान का योग होता है। ${\vec {L}}$ और कोणीय गति ऑपरेटर ${\vec {S}}$, उपयुक्त जाइरोमैग्नेटिक अनुपात से प्रत्येक गुणा के साथ:

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

कहाँ $g_{l}=1$ और $g_{s}\approx 2.0023192$ (उत्तरार्द्ध को विषम चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण कहा जाता है; 2 से मूल्य का विचलन क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स के प्रभाव के कारण होता है)। एलएस युग्मन के मामले में, परमाणु में सभी इलेक्ट्रॉनों का योग हो सकता है:

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

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

अगर बातचीत की अवधि $V_{M}$ छोटा है (ठीक संरचना से कम), इसे गड़बड़ी के रूप में माना जा सकता है; यह Zeeman प्रभाव उचित है। पासचेन-बैक प्रभाव में, नीचे वर्णित है, $V_{M}$ एलएस युग्मन से काफी अधिक है (लेकिन इसकी तुलना में अभी भी छोटा है $H_{0}$). अति-मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों में, चुंबकीय-क्षेत्र की बातचीत अधिक हो सकती है $H_{0}$, जिस स्थिति में परमाणु अपने सामान्य अर्थ में मौजूद नहीं रह सकता है, और इसके बजाय लन्दौ स्तर#लैंडौ स्तरों के बारे में बात की जाती है। ऐसे मध्यवर्ती मामले हैं जो इन सीमित मामलों से अधिक जटिल हैं।

कमजोर क्षेत्र (ज़ीमान प्रभाव)

अगर स्पिन-ऑर्बिट इंटरेक्शन बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव पर हावी हो जाता है, ${\vec {L}}$ और ${\vec {S}}$ अलग से संरक्षित नहीं हैं, केवल कुल कोणीय संवेग ${\vec {J}}={\vec {L}}+{\vec {S}}$ है। स्पिन और कक्षीय कोणीय संवेग सदिशों को (स्थिर) कुल कोणीय संवेग सदिश के बारे में पूर्ववर्ती माना जा सकता है ${\vec {J}}$. (समय-) औसत स्पिन वेक्टर तब स्पिन की दिशा पर प्रक्षेपण है ${\vec {J}}$:

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

और (समय-) औसत कक्षीय वेक्टर के लिए:

$$