Articulo de referencia

Efecto Zeeman

Las líneas espectrales de una lámpara de vapor de mercurio a una longitud de onda de 546,1 nm muestran un efecto Zeeman anómalo. (A) Sin campo magnético. (B) Con campo mag...

Las líneas espectrales de una lámpara de vapor de mercurio a una longitud de onda de 546,1  nm muestran un efecto Zeeman anómalo. (A)  Sin campo magnético. (B)  Con campo magnético, las líneas espectrales se dividen como efecto Zeeman transversal. (C)  Con campo magnético, se dividen como efecto Zeeman longitudinal. Las líneas espectrales se obtuvieron utilizando un interferómetro Fabry-Pérot .
Desdoblamiento de Zeeman del nivel 5s del 87Rb , incluyendo el desdoblamiento de la estructura fina y la estructura hiperfina. Aquí F =  J + I , donde I es el espín nuclear (para el 87Rb , I = 3/2 ).     
Esta animación muestra lo que sucede cuando se forma una mancha solar (o estelar) y aumenta la intensidad del campo magnético. La luz que emana de la mancha comienza a mostrar el efecto Zeeman. Las líneas oscuras del espectro de la luz emitida se dividen en tres componentes y la intensidad de la polarización circular en ciertas partes del espectro aumenta significativamente. Este efecto de polarización es una herramienta poderosa para que los astrónomos detecten y midan los campos magnéticos estelares.

El efecto Zeeman ( en neerlandés: [ ˈzeːmɑn ] ) es la división de una línea espectral en varios componentes en presencia de un campo magnético estático . Se produce por la interacción del campo magnético con los momentos magnéticos de los electrones atómicos asociados a su movimiento orbital y espín ; esta interacción desplaza algunas energías orbitales más que otras, lo que da como resultado el espectro dividido.

El efecto recibe su nombre del físico neerlandés Pieter Zeeman , quien lo descubrió en 1896 y recibió el Premio Nobel de Física por ello en 1902. Es análogo al efecto Stark , que consiste en la división de una línea espectral en varios componentes en presencia de un campo eléctrico . Asimismo, al igual que en el efecto Stark, las transiciones entre los distintos componentes presentan, en general, intensidades diferentes, y algunas están completamente prohibidas (en la aproximación dipolar ), según lo estipulan las reglas de selección .

Dado que la distancia entre los subniveles de Zeeman es función de la intensidad del campo magnético, este efecto puede utilizarse para medir la intensidad del campo magnético, por ejemplo, la del Sol y otras estrellas o la de plasmas de laboratorio .

Descubrimiento

En 1896, Zeeman supo que su laboratorio poseía una de las rejillas de difracción de mayor resolución de Henry Augustus Rowland . Zeeman había leído el artículo de James Clerk Maxwell en la Encyclopædia Britannica que describía los intentos fallidos de Michael Faraday por influir en la luz mediante el magnetismo. Zeeman se preguntó si las nuevas técnicas espectrográficas podrían tener éxito donde los primeros intentos habían fracasado. [ 1 ] : 75

Cuando se ilumina con una fuente en forma de rendija, la rejilla produce una larga serie de imágenes en forma de rendija que corresponden a diferentes longitudes de onda. Zeeman colocó un trozo de amianto empapado en agua salada en la llama de un mechero Bunsen , cerca de la fuente de la rejilla: pudo observar fácilmente dos líneas en el espectro de emisión de luz del sodio . Al encender un electroimán potente (de aproximadamente un tesla ) alrededor de la llama, observó un ligero ensanchamiento de las líneas. [ 1 ] : 76

Cuando Zeeman cambió al cadmio como fuente, observó que las líneas espectrales se dividían al aplicar el campo magnético. Estas divisiones podían analizarse con la entonces novedosa teoría electrónica de Hendrik Lorentz . Ahora se sabe que los efectos magnéticos sobre el sodio requieren un tratamiento cuántico-mecánico. [ 1 ] : 77 Zeeman y Lorentz recibieron el Premio Nobel de 1902; en su discurso de aceptación, Zeeman explicó su aparato y mostró diapositivas de las imágenes espectrográficas. [ 2 ]

Nomenclatura

Históricamente, se distingue entre el efecto Zeeman normal y el anómalo (descubierto por Thomas Preston en Dublín, Irlanda [ 3 ] ). El efecto anómalo aparece en transiciones donde el espín neto de los electrones es distinto de cero. Se le denominó "anómalo" porque aún no se había descubierto el espín del electrón, por lo que no existía una explicación satisfactoria en el momento en que Zeeman observó el efecto. Wolfgang Pauli recordó que, cuando un colega le preguntó por qué parecía triste, respondió: "¿Cómo se puede parecer feliz cuando se está pensando en el efecto Zeeman anómalo?" [ 4 ]

A mayor intensidad del campo magnético, el efecto deja de ser lineal. A intensidades aún mayores, comparables a la del campo interno del átomo, el acoplamiento electrónico se ve alterado y las líneas espectrales se reordenan. Esto se conoce como el efecto Paschen-Back .

En la literatura científica moderna , estos términos se usan raramente, con una tendencia a usar simplemente el "efecto Zeeman". Otro término oscuro y poco usado es el efecto Zeeman inverso , [ 5 ] que se refiere al efecto Zeeman en una línea espectral de absorción.

Un efecto similar, la división de los niveles de energía nuclear en presencia de un campo magnético, se conoce como efecto Zeeman nuclear . [ 6 ]

Presentación teórica

El hamiltoniano total de un átomo en un campo magnético es H=H0+VMETRO,{\displaystyle H=H_{0}+V_{\text{M}},} dóndeH0{\displaystyle H_{0}}es el hamiltoniano no perturbado del átomo, yVMETRO{\displaystyle V_{\text{M}}}es la perturbación debida al campo magnético: VMETRO=μB,{\displaystyle V_{\text{M}}=-{\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}},} dóndeμ{\displaystyle {\vec {\mu }}}es el momento magnético del átomo. El momento magnético consta de partes electrónicas y nucleares; sin embargo, esta última es muchos órdenes de magnitud menor y se despreciará aquí. Por lo tanto, μμBgramoJ,{\displaystyle {\vec {\mu }}\approx -{\frac {\mu _{\text{B}}g{\vec {J}}}{\hbar }},} dóndeμB{\displaystyle \mu _{\text{B}}}es el magnetón de Bohr ,J{\displaystyle {\vec {J}}}es el momento angular electrónico total , ygramo{\displaystyle g}es el factor g de Landé .

Un enfoque más preciso consiste en tener en cuenta que el operador del momento magnético de un electrón es una suma de las contribuciones del momento angular orbital.L{\displaystyle {\vec {L}}}y el momento angular de giroS{\displaystyle {\vec {S}}}, cada uno multiplicado por la relación giromagnética apropiada : μ=μB(gramolL+gramosS),{\displaystyle {\vec {\mu }}=-{\frac {\mu _{\text{B}}(g_{l}{\vec {L}}+g_{s}{\vec {S}})}{\hbar }},} dóndegramol=1{\displaystyle g_{l}=1}, ygramos2.0023193{\displaystyle g_{s}\approx 2.0023193}(la relación giromagnética anómala , que se desvía de 2 debido a los efectos de la electrodinámica cuántica ). En el caso del acoplamiento LS , se puede sumar sobre todos los electrones del átomo: gramoJ=i(gramolli+gramossi)=(gramolL+gramosS),{\displaystyle g{\vec {J}}={\Big \langle }\sum _{i}(g_{l}{\vec {l}}_{i}+g_{s}{\vec {s}}_{i}){\Big \rangle }={\big \langle }(g_{l}{\vec {L}}+g_{s}{\vec {S}}){\big \rangle },} dóndeL{\displaystyle {\vec {L}}}yS{\displaystyle {\vec {S}}}son el momento angular total y el espín del átomo, y el promedio se realiza sobre un estado con un valor dado del momento angular total.

Si el término de interacciónVMETRO{\displaystyle V_{\text{M}}}es pequeño (menor que la estructura fina ), puede tratarse como una perturbación; este es el efecto Zeeman propiamente dicho. En el efecto Paschen-Back, descrito a continuación,VMETRO{\displaystyle V_{\text{M}}}supera significativamente el acoplamiento LS (pero sigue siendo pequeño en comparación conH0{\displaystyle H_{0}}). En campos magnéticos ultra fuertes, la interacción del campo magnético puede excederH0{\displaystyle H_{0}}En cuyo caso el átomo ya no puede existir en su sentido habitual, y se habla en su lugar de niveles de Landau . Existen casos intermedios más complejos que estos casos límite.

Campo débil (efecto Zeeman)

Si la interacción espín-órbita domina sobre el efecto del campo magnético externo,L{\displaystyle {\vec {L}}}yS{\displaystyle {\vec {S}}}no se conservan por separado, solo el momento angular totalJ=L+S{\displaystyle {\vec {J}}={\vec {L}}+{\vec {S}}}Los vectores de momento angular de espín y orbital pueden considerarse como si precedieran alrededor del vector de momento angular total (fijo).J{\displaystyle {\vec {J}}}. El vector de espín "promediado" (en el tiempo) es entonces la proyección del espín sobre la dirección deJ{\displaystyle {\vec {J}}}: Spromedio=(SJ)J2J,{\displaystyle {\vec {S}}_{\text{promedio}}={\frac {({\vec {S}}\cdot {\vec {J}})}{J^{2}}}{\vec {J}},} y para el vector orbital "promediado en el tiempo": Lpromedio=(LJ)J2J.{\displaystyle {\vec {L}}_{\text{avg}}={\frac {({\vec {L}}\cdot {\vec {J}})}{J^{2}}}{\vec {J}}.}

De este modo VMETRO=μBJ(gramoLLJJ2+gramoSSJJ2)B.{\displaystyle \langle V_{\text{M}}\rangle ={\frac {\mu _{\text{B}}}{\hbar }}{\vec {J}}\left(g_{L}{\frac {{\vec {L}}\cdot {\vec {J}}}{J^{2}}}+g_{S}{\frac {{\vec {S}}\cdot {\vec {J}}}{J^{2}}}\right)\cdot {\vec {B}}.} UsandoL=JS{\displaystyle {\vec {L}}={\vec {J}}-{\vec {S}}}y elevando ambos lados al cuadrado, obtenemos SJ=12(J2+S2L2)=22[j(j+1)l(l+1)+s(s+1)],{\displaystyle {\vec {S}}\cdot {\vec {J}}={\frac {1}{2}}(J^{2}+S^{2}-L^{2})={\frac {\hbar ^{2}}{2}}[j(j+1)-l(l+1)+s(s+1)],} y utilizandoS=JL{\displaystyle {\vec {S}}={\vec {J}}-{\vec {L}}}y elevando ambos lados al cuadrado, obtenemos LJ=12(J2S2+L2)=22[j(j+1)+l(l+1)s(s+1)].{\displaystyle {\vec {L}}\cdot {\vec {J}}={\frac {1}{2}}(J^{2}-S^{2}+L^{2})={\frac {\hbar ^{2}}{2}}[j(j+1)+l(l+1)-s(s+1)].}

Combinando todo y tomandoJz=metroj{\displaystyle J_{z}=\hbar m_{j}}, obtenemos la energía potencial magnética del átomo en el campo magnético externo aplicado: VMETRO=μBBmetroj[gramoLj(j+1)+l(l+1)s(s+1)2j(j+1)+gramoSj(j+1)l(l+1)+s(s+1)2j(j+1)]=μBBmetroj[1+(gramoS1)j(j+1)l(l+1)+s(s+1)2j(j+1)]=μBBmetrojgramoJ,{\displaystyle {\begin{aligned}V_{\text{M}}&=\mu _{\text{B}}Bm_{j}\left[g_{L}{\frac {j(j+1)+l(l+1)-s(s+1)}{2j(j+1)}}+g_{S}{\frac {j(j+1)-l(l+1)+s(s+1)}{2j(j+1)}}\right]\\&=\mu _{\text{B}}Bm_{j}\left[1+(g_{S}-1){\frac {j(j+1)-l(l+1)+s(s+1)}{2j(j+1)}}\right]\\&=\mu _{\text{B}}Bm_{j}g_{J},\end{aligned}}} donde la cantidad entre corchetes es el factor g de Landé.gramoJ{\displaystyle g_{J}}del átomo (gramoL=1,{\displaystyle g_{L}=1,}gramoS2{\displaystyle g_{S}\approx 2}), ymetroj{\displaystyle m_{j}}es la componente z  del momento angular total.

Para un solo electrón por encima de las capas llenas, cons=1/2{\displaystyle s=1/2}yj=l±s{\displaystyle j=l\pm s}, el factor g de Landé se puede simplificar a gramoJ=1±gramoS12l+1.{\displaystyle g_{J}=1\pm {\frac {g_{S}-1}{2l+1}}.}

TomandoVMETRO{\displaystyle V_{\text{M}}}para ser la perturbación, la corrección de Zeeman a la energía es miZ(1)=norteljmetroj|HZ|norteljmetroj=VMETROΨ=μBgramoJBextensiónmetroj.{\displaystyle E_{\text{Z}}^{(1)}=\langle nljm_{j}|H_{\text{Z}}^{'}|nljm_{j}\rangle =\langle V_{\text{M}}\rangle _{\Psi }=\mu _{\text{B}}g_{J}B_{\text{ext}}m_{j}.}

Ejemplo: Transición Lyman-alfa en hidrógeno

La transición Lyman-alfa en el hidrógeno en presencia de la interacción espín-órbita implica las transiciones22PAG1/212S1/2{\displaystyle 2\,^{2}\!P_{1/2}\to 1\,^{2}\!S_{1/2}}y22PAG3/212S1/2.{\displaystyle 2\,^{2}\!P_{3/2}\to 1\,^{2}\!S_{1/2}.}

En presencia de un campo magnético externo, el efecto Zeeman de campo débil divide el12S1/2{\displaystyle 1\,^{2}\!S_{1/2}}y22PAG1/2{\displaystyle 2\,^{2}\!P_{1/2}}niveles en 2 estados cada uno (metroj=+1/2,1/2{\displaystyle m_{j}=+1/2,-1/2}) y el22PAG3/2{\displaystyle 2\,^{2}\!P_{3/2}}nivel en 4 estados (metroj=+3/2,+1/2,1/2,3/2{\displaystyle m_{j}=+3/2,+1/2,-1/2,-3/2}). Los factores g de Landé para los tres niveles son gramoJ=2para 12S1/2 (j=1/2,l=0),gramoJ=2/3para 22PAG1/2 (j=1/2,l=1),gramoJ=4/3para 22PAG3/2 (j=3/2,l=1).{\displaystyle {\begin{aligned}g_{J}&=2&&{\text{for}}\ 1\,^{2}\!S_{1/2}\ (j=1/2,l=0),\\g_{J}&=2/3&&{\text{for}}\ 2\,^{2}\!P_{1/2}\ (j=1/2,l=1),\\g_{J}&=4/3&&{\text{for}}\ 2\,^{2}\!P_{3/2}\ (j=3/2,l=1).\end{aligned}}}

Cabe destacar que la magnitud del desdoblamiento energético difiere para cada orbital debido a las diferencias en los valores de gJ . El desdoblamiento de la estructura fina se produce incluso en ausencia de un campo magnético, ya que se debe al acoplamiento espín-órbita. A la derecha se muestra el desdoblamiento de Zeeman adicional, que se produce en presencia de campos magnéticos.

Campo magnético intenso (efecto Paschen-Back)

El efecto Paschen-Back es la división de los niveles de energía atómica en presencia de un campo magnético fuerte. Esto ocurre cuando un campo magnético externo es suficientemente fuerte como para interrumpir el acoplamiento entre orbitales (L{\displaystyle {\vec {L}}}) y girar (S{\displaystyle {\vec {S}}}) momentos angulares. Este efecto es el límite de campo fuerte del efecto Zeeman. Cuandos=0{\displaystyle s=0}Los dos efectos son equivalentes. El efecto recibió su nombre en honor a los físicos alemanes Friedrich Paschen y Ernst EA Back . [ 7 ]

Cuando la perturbación del campo magnético supera significativamente la interacción espín-órbita, se puede asumir con seguridad que[H0,S]=0{\displaystyle [H_{0},S]=0}. Esto permite los valores esperados deLz{\displaystyle L_{z}}ySz{\displaystyle S_{z}}para poder ser evaluado fácilmente para un estado|ψ{\displaystyle |\psi \rangle }Las energías son simplemente

miz=ψ|H0+BzμB(Lz+gramosSz)|ψ=mi0+BzμB(metrol+gramosmetros).{\displaystyle E_{z}=\left\langle \psi \left|H_{0}+{\frac {B_{z}\mu _{\rm {B}}}{\hbar }}(L_{z}+g_{s}S_{z})\right|\psi \right\rangle =E_{0}+B_{z}\mu _{\rm {B}}(m_{l}+g_{s}m_{s}).}

Lo anterior puede interpretarse como que el acoplamiento LS se rompe completamente por el campo externo. Sin embargo,metrol{\displaystyle m_{l}}ymetros{\displaystyle m_{s}}siguen siendo números cuánticos "buenos". Junto con las reglas de selección para una transición de dipolo eléctrico , es decir,Δs=0,Δmetros=0,Δl=±1,Δmetrol=0,±1{\displaystyle \Delta s=0,\Delta m_{s}=0,\Delta l=\pm 1,\Delta m_{l}=0,\pm 1}Esto permite ignorar por completo el grado de libertad de espín. Como resultado, solo serán visibles tres líneas espectrales, correspondientes a laΔmetrol=0,±1{\displaystyle \Delta m_{l}=0,\pm 1}regla de selección. La divisiónΔmi=BμBΔmetrol{\displaystyle \Delta E=B\mu _{\rm {B}}\Delta m_{l}}es independiente de las energías no perturbadas y las configuraciones electrónicas de los niveles que se estén considerando.

Más precisamente, sis0{\displaystyle s\neq 0}Cada uno de estos tres componentes es en realidad un grupo de varias transiciones debidas al acoplamiento espín-órbita residual y a las correcciones relativistas (que son del mismo orden, conocidas como "estructura fina"). La teoría de perturbación de primer orden con estas correcciones produce la siguiente fórmula para el átomo de hidrógeno en el límite de Paschen - Back: [ 8 ]

miz+Fs=miz+metromido2α42norte3{34norte[l(l+1)metrolmetrosl(l+1/2)(l+1)]}.{\displaystyle E_{z+fs}=E_{z}+{\frac {m_{e}c^{2}\alpha ^{4}}{2n^{3}}}\left\{{\frac {3}{4n}}-\left[{\frac {l(l+1)-m_{l}m_{s}}{l(l+1/2)(l+1)}}\right]\right\}.}

Ejemplo: Transición Lyman-alfa en hidrógeno

En este ejemplo, se ignoran las correcciones de estructura fina.

Campo intermedio para j = 1/2

En la aproximación del dipolo magnético, el hamiltoniano que incluye tanto las interacciones hiperfinas como las de Zeeman es

H=hAIJμB{\displaystyle H=hA{\vec {I}}\cdot {\vec {J}}-{\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}}}
H=hAIJ+(μBgramoJJ+μnortegramoII)B{\displaystyle H=hA{\vec {I}}\cdot {\vec {J}}+(\mu _{\rm {B}}g_{J}{\vec {J}}+\mu _{\rm {N}}g_{I}{\vec {I}})\cdot {\vec {\rm {B}}}}

dóndeA{\displaystyle A}es el desdoblamiento hiperfino en campo magnético aplicado cero,μB{\displaystyle \mu _{\rm {B}}}yμnorte{\displaystyle \mu _{\rm {N}}}son el magnetón de Bohr y el magnetón nuclear , respectivamente (nótese que el último término de la expresión anterior describe el efecto Zeeman nuclear ),J{\displaystyle {\vec {J}}}yI{\displaystyle {\vec {I}}}son los operadores de momento angular electrónico y nuclear ygramoJ{\displaystyle g_{J}}es el factor g de Landé : gramoJ=gramoLJ(J+1)+L(L+1)S(S+1)2J(J+1)+gramoSJ(J+1)L(L+1)+S(S+1)2J(J+1).{\displaystyle g_{J}=g_{L}{\frac {J(J+1)+L(L+1)-S(S+1)}{2J(J+1)}}+g_{S}{\frac {J(J+1)-L(L+1)+S(S+1)}{2J(J+1)}}.}

En el caso de campos magnéticos débiles, la interacción de Zeeman puede tratarse como una perturbación a la|F,metroF{\displaystyle |F,m_{f}\rangle }base. En el régimen de campo alto, el campo magnético se vuelve tan fuerte que el efecto Zeeman dominará, y se debe utilizar una base más completa de|I,J,metroI,metroJ{\displaystyle |I,J,m_{I},m_{J}\rangle }o simplemente|metroI,metroJ{\displaystyle |m_{I},m_{J}\rangle }desdeI{\displaystyle I}yJ{\displaystyle J}será constante dentro de un nivel determinado.

Para obtener la imagen completa, incluyendo las intensidades de campo intermedias, debemos considerar los autoestados que son superposiciones de los|F,metroF{\displaystyle |F,m_{F}\rangle }y|metroI,metroJ{\displaystyle |m_{I},m_{J}\rangle }estados base. ParaJ=1/2{\displaystyle J=1/2}, el hamiltoniano se puede resolver analíticamente, dando como resultado la fórmula de Breit-Rabi (llamada así en honor a Gregory Breit e Isidor Isaac Rabi ). Cabe destacar que la interacción cuadrupolar eléctrica es cero paraL=0{\displaystyle L=0}(J=1/2{\displaystyle J=1/2}), por lo que esta fórmula es bastante precisa.

Ahora utilizamos operadores de escalera de mecánica cuántica , que se definen para un operador de momento angular general.L{\displaystyle L}como

L±Lincógnita±iLy{\displaystyle L_{\pm }\equiv L_{x}\pm iL_{y}}

Estos operadores de escaleras tienen la propiedad

L±|L,metroL=(LmetroL)(L±metroL+1)|L,metroL±1{\displaystyle L_{\pm }|L_{,}m_{L}\rangle ={\sqrt {(L\mp m_{L})(L\pm m_{L}+1)}}|L,m_{L}\pm 1\rangle }

mientrasmetroL{\displaystyle m_{L}}se encuentra en la gamaL,...,L{\displaystyle {-L,\dots ...,L}}(de lo contrario, devuelven cero). Usando operadores de escaleraJ±{\displaystyle J_{\pm }}yI±{\displaystyle I_{\pm }} Podemos reescribir el hamiltoniano como

H=hAIzJz+hA2(J+I+JI+)+μBBgramoJJz+μnorteBgramoIIz{\displaystyle H=hAI_{z}J_{z}+{\frac {hA}{2}}(J_{+}I_{-}+J_{-}I_{+})+\mu _{\rm {B}}Bg_{J}J_{z}+\mu _{\rm {N}}Bg_{I}I_{z}}

Ahora podemos ver que en todo momento, la proyección del momento angular totalmetroF=metroJ+metroI{\displaystyle m_{F}=m_{J}+m_{I}}se conservará. Esto se debe a que ambosJz{\displaystyle J_{z}}yIz{\displaystyle I_{z}}estados de salida con definitivometroJ{\displaystyle m_{J}} ymetroI{\displaystyle m_{I}}sin cambios, mientras queJ+I{\displaystyle J_{+}I_{-}}yJI+{\displaystyle J_{-}I_{+}}ya sea aumentarmetroJ{\displaystyle m_{J}}y disminuirmetroI{\displaystyle m_{I}}o viceversa, por lo que la suma siempre permanece inalterada. Además, dado queJ=1/2{\displaystyle J=1/2}Solo hay dos valores posibles de metroJ{\displaystyle m_{J}}que son±1/2{\displaystyle \pm 1/2}. Por lo tanto, para cada valor demetroF{\displaystyle m_{F}}Solo hay dos estados posibles, y podemos definirlos como la base:

|±|metroJ=±1/2,metroI=metroF1/2{\displaystyle |\pm \rangle \equiv |m_{J}=\pm 1/2,m_{I}=m_{F}\mp 1/2\rangle }

Este par de estados es un sistema mecánico cuántico de dos niveles . Ahora podemos determinar los elementos de matriz del hamiltoniano:

±|H|±=14hA+μnorteBgramoImetroF±12(hAmetroF+μBBgramoJμnorteBgramoI)){\displaystyle \langle \pm |H|\pm \rangle =-{\frac {1}{4}}hA+\mu _{\rm {N}}Bg_{I}m_{F}\pm {\frac {1}{2}}(hAm_{F}+\mu _{\rm {B}}Bg_{J}-\mu _{\rm {N}}Bg_{I}))}
±|H|=12hA(I+1/2)2metroF2{\displaystyle \langle \pm |H|\mp \rangle ={\frac {1}{2}}hA{\sqrt {(I+1/2)^{2}-m_{F}^{2}}}}

Resolviendo para los valores propios de esta matriz, como se puede hacer a mano (ver sistema mecánico cuántico de dos niveles ), o más fácilmente, con un sistema de álgebra computacional, llegamos a los cambios de energía:

ΔmiF=I±1/2=hΔW2(2I+1)+μnortegramoImetroFB±hΔW21+2metroFincógnitaI+1/2+incógnita2{\displaystyle \Delta E_{F=I\pm 1/2}=-{\frac {h\Delta W}{2(2I+1)}}+\mu _{\rm {N}}g_{I}m_{F}B\pm {\frac {h\Delta W}{2}}{\sqrt {1+{\frac {2m_{F}x}{I+1/2}}+x^{2}}}}
incógnitaB(μBgramoJμnortegramoI)hΔWΔW=A(I+12){\displaystyle x\equiv {\frac {B(\mu _{\rm {B}}g_{J}-\mu _{\rm {N}}g_{I})}{h\Delta W}}\quad \quad \Delta W=A\left(I+{\frac {1}{2}}\right)}

dóndeΔW{\displaystyle \Delta W}es la división (en unidades de Hz) entre dos subniveles hiperfinos en ausencia de campo magnéticoB{\displaystyle B}, incógnita{\displaystyle x}se denomina 'parámetro de intensidad de campo' (Nota: parametroF=±(I+1/2){\displaystyle m_{F}=\pm (I+1/2)}La expresión bajo la raíz cuadrada es un cuadrado exacto, por lo que el último término debe ser reemplazado por+hΔW2(1±incógnita){\displaystyle +{\frac {h\Delta W}{2}}(1\pm x)}). Esta ecuación se conoce como la fórmula de Breit-Rabi y es útil para sistemas con un electrón de valencia en uns{\displaystyle s}(J=1/2{\displaystyle J=1/2}) nivel. [ 9 ] [ 10 ]

Tenga en cuenta que el índiceF{\displaystyle F}enΔmiF=I±1/2{\displaystyle \Delta E_{F=I\pm 1/2}}no debe considerarse como momento angular total del átomo sino como momento angular total asintótico . Es igual al momento angular total solo siB=0{\displaystyle B=0} de lo contrario los autovectores correspondientes a diferentes autovalores del hamiltoniano son superposiciones de estados con diferentesF{\displaystyle F}pero igualmetroF{\displaystyle m_{F}}(las únicas excepciones son|F=I+1/2,metroF=±F{\displaystyle |F=I+1/2,m_{F}=\pm F\rangle }).

Aplicaciones

Astrofísica

Efecto Zeeman en una línea espectral de una mancha solar

George Ellery Hale fue el primero en observar el efecto Zeeman en los espectros solares, lo que indica la existencia de fuertes campos magnéticos en las manchas solares. Dichos campos pueden ser bastante intensos, del orden de 0,1 teslas o más. Actualmente, el efecto Zeeman se utiliza para generar magnetogramas que muestran la variación del campo magnético en el Sol [ 11 ] y para analizar las geometrías del campo magnético en otras estrellas [ 12 ] .

Refrigeración láser

El efecto Zeeman se utiliza en muchas aplicaciones de enfriamiento láser , como una trampa magnetoóptica y el ralentizador Zeeman . [ 13 ]

Espintrónica

El acoplamiento mediado por la energía de Zeeman de los movimientos de espín y orbitales se utiliza en espintrónica para controlar los espines de los electrones en puntos cuánticos a través de la resonancia de espín de dipolo eléctrico . [ 14 ]

Metrología

Los antiguos estándares de frecuencia de alta precisión, es decir, los relojes atómicos basados ​​en transiciones de estructura hiperfina, pueden requerir un ajuste fino periódico debido a la exposición a campos magnéticos. Esto se lleva a cabo midiendo el efecto Zeeman en niveles específicos de transición de estructura hiperfina del elemento fuente (cesio) y aplicando un campo magnético uniformemente preciso y de baja intensidad a dicha fuente, en un proceso conocido como desmagnetización . [ 15 ]

El efecto Zeeman también puede utilizarse para mejorar la precisión en la espectroscopia de absorción atómica .

Biología

Una teoría sobre el sentido magnético de las aves supone que una proteína en la retina se modifica debido al efecto Zeeman. [ 16 ]

Espectroscopia nuclear

El efecto Zeeman nuclear es importante en aplicaciones como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear , la resonancia magnética (RM) y la espectroscopia Mössbauer .

Otro

La espectroscopia de resonancia de espín electrónico se basa en el efecto Zeeman.

Manifestaciones

Diagrama de una demostración del efecto Zeeman

El efecto Zeeman se puede demostrar colocando una fuente de vapor de sodio en un potente electroimán y observando una lámpara de vapor de sodio a través de la abertura del imán (véase el diagrama). Con el imán apagado, la fuente de vapor de sodio bloqueará la luz de la lámpara; al encender el imán, la luz de la lámpara será visible a través del vapor.

El vapor de sodio se puede crear sellando sodio metálico en un tubo de vidrio al vacío y calentándolo mientras el tubo está en el imán. [ 17 ]

Como alternativa, se puede colocar sal ( cloruro de sodio ) en una varilla de cerámica en la llama del mechero Bunsen como fuente de vapor de sodio. Cuando se energiza el campo magnético, la imagen de la lámpara será más brillante. [ 18 ] Sin embargo, el campo magnético también afecta a la llama, lo que hace que la observación dependa de algo más que el efecto Zeeman. [ 17 ] Estos problemas también afectaron el trabajo original de Zeeman; dedicó un esfuerzo considerable para asegurar que sus observaciones fueran realmente un efecto del magnetismo sobre la emisión de luz. [ 19 ]

Cuando se agrega sal al mechero Bunsen, se disocia para dar sodio y cloruro . Los átomos de sodio se excitan debido a los fotones de la lámpara de vapor de sodio, con electrones excitados de los estados 3s a 3p, absorbiendo luz en el proceso. La lámpara de vapor de sodio emite luz a 589 nm, que tiene precisamente la energía para excitar un electrón de un átomo de sodio. Si fuera un átomo de otro elemento, como el cloro, no se formaría sombra. [ 20 ] Cuando se aplica un campo magnético, debido al efecto Zeeman, la línea espectral del sodio se divide en varios componentes. Esto significa que la diferencia de energía entre los orbitales atómicos 3s y 3p cambiará. Como la lámpara de vapor de sodio ya no entrega con precisión la frecuencia correcta, la luz no se absorbe y pasa a través, lo que resulta en la atenuación de la sombra. A medida que aumenta la intensidad del campo magnético, el desplazamiento en las líneas espectrales aumenta y la luz de la lámpara se transmite.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Pais, Abraham (2002). Inward bound: of matter and forces in the physical world (Edición reimpresa  ). Oxford: Clarendon Press [ua] ISBN 978-0-19-851997-3.
  2. Pieter, Zeeman (1902). "Conferencia Nobel de Pieter Zeeman" . El Premio Nobel . Archivado del original el 15 de noviembre de 2018. Recuperado el 1 de marzo de 2024 .
  3. Preston, Thomas (1898). "Fenómenos de radiación en un campo magnético fuerte" . The Scientific Transactions of the Royal Dublin Society . 2.ª serie. 6 : 385–391 .
  4. "La época de Niels Bohr: en física, filosofía y política" Por Abraham Pais, página 201.
  5. Jenkins, Francis; White, Harvey (3 de diciembre de 2001). Fundamentos de óptica (4.ª ed.). McGraw-Hill Education. ISBN  978-0-07-256191-3.
  6. Dunlap, Richard A. (2023). «Interacciones hiperfinas—parte III: la interacción del dipolo magnético y el efecto Zeeman nuclear». El efecto Mössbauer (2.ª ed.). IOP Publishing. pp. 7-1 – 7-9 . doi : 10.1088/978-0-7503-6039-5ch7 . ISBN   978-0-7503-6039-5. Consultado el 4 de marzo de 2024 .
  7. ^ Paschen, F.; Atrás, E. (1921). "Liniengruppen magnetisch vervollständigt" [ Grupos de líneas completados magnéticamente [es decir, completamente resueltos] ] . Física (en alemán). 1 : 261–273 .Disponible en: Universidad de Leiden (Países Bajos)
  8. Griffiths, David J. (2004). Introducción a la mecánica cuántica (2.ª ed.). Prentice Hall . pág. 280. ISBN   0-13-111892-7OCLC 40251748 
  9. Woodgate, Gordon Kemble (1980). Estructura atómica elemental (2.ª ed.). Oxford, Inglaterra: Oxford University Press. págs. 193–194 .  
  10. Apareció por primera vez en: Breit, G.; Rabi, II (1931). "Medición del espín nuclear". Physical Review . 38 (11): 2082– 2083. Bibcode : 1931PhRv...38.2082B . doi : 10.1103/PhysRev.38.2082.2 .
  11. Schad, Thomas A.; Petrie, Gordon JD; Kuhn, Jeffrey R.; Fehlmann, Andre; Rimmele, Thomas; Tritschler, Alexandra; Woeger, Friedrich; Scholl, Isabelle; Williams, Rebecca; Harrington, David; Paraschiv, Alin R.; Szente, Judit (13 de septiembre de 2024). "Mapeo del campo magnético coronal del Sol utilizando el efecto Zeeman" . Science Advances . 10 (37). doi : 10.1126/ sciadv.adq1604 . ISSN 2375-2548 . PMC 11421591. PMID 39259791 .   
  12. Kochukhov, Oleg (diciembre de 2021). "Campos magnéticos de enanas M". The Astronomy and Astrophysics Review . 29 (1): 1. arXiv : 2011.01781 . doi : 10.1007/s00159-020-00130-3 . ISSN 0935-4956 . 
  13. Bowden, William; Gunton, Will; Semczuk, Mariusz; Dare, Kahan; Madison, Kirk W. (18 de abril de 2016). "Un diseño adaptable de fuente efusiva de doble especie y ralentizador Zeeman demostrado con Rb y Li" . Review of Scientific Instruments . 87 (4): 043111. arXiv : 1509.07460 . doi : 10.1063/1.4945567 . ISSN 0034-6748 . 
  14. Y. Tokura, WG van der Wiel, T. Obata y S. Tarucha, Control coherente del espín de un solo electrón en un campo de Zeeman inclinado, Phys. Rev. Lett. 96 , 047202 (2006)
  15. Verdiell, Marc (CuriousMarc) (31 de octubre de 2022). Cómo funciona realmente un reloj atómico, segunda parte: alineación de Zeeman (vídeo de YouTube) . Consultado el 11 de marzo de 2023 .
  16. Thalau, Peter; Ritz, Thorsten; Burda, Hynek; Wegner, Regina E.; Wiltschko, Roswitha (18 de abril de 2006). " Los mecanismos de brújula magnética de las aves y los roedores se basan en diferentes principios físicos" . Journal of the Royal Society Interface . 3 (9): 583– 587. doi : 10.1098/rsif.2006.0130 . PMC 1664646. PMID 16849254 .  
  17. 1 2 La llama de una vela es repelida por los imanes (y seguimiento de Zeeman) , consultado el 27 de febrero de 2024.
  18. La llama de una vela es repelida por los imanes (y seguimiento de Zeeman) , consultado el 27 de febrero de 2024.
  19. Kox, AJ (1 de mayo de 1997). "El descubrimiento del electrón: II. El efecto Zeeman" . European Journal of Physics . 18 (3): 139– 144. Bibcode : 1997EJPh...18..139K . doi : 10.1088/0143-0807/18/3/003 . ISSN 0143-0807 . S2CID 53414643 .  
  20. Suzuki, Masatsugu Sei; Suzuki, Itsuko S. (2011). "Nota de clase sobre el efecto Zeeman de laboratorio avanzado en Na, Cd y Hg" . ResearchGate .

Histórico

  • Condon, EU; GH Shortley (1935). La teoría de los espectros atómicos . Cambridge University Press . ISBN 0-521-09209-4.{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda ) (El capítulo 16 ofrece un tratamiento exhaustivo, actualizado a 1935).
  • Zeeman, P. (1896). "Over de invloed eener magnetisatie op den aard van het door een stof uitgezonden licht" [ Sobre la influencia del magnetismo en la naturaleza de la luz emitida por una sustancia ] . Verslagen van de Gewone Vergaderingen der Wis- en Natuurkundige Afdeeling (Koninklijk Akademie van Wetenschappen te Amsterdam) [Informes de las sesiones ordinarias de la Sección de Física y Matemáticas (Real Academia de Ciencias de Ámsterdam)] (en holandés). 5 : 181–184 y 242–248. Código Bib : 1896VMKAN...5..181Z .
  • Zeeman, P. (1897). "Sobre la influencia del magnetismo en la naturaleza de la luz emitida por una sustancia" . Philosophical Magazine . 5.ª serie. 43 (262): 226–239 . doi : 10.1080/14786449708620985 .
  • Zeeman, P. (11 de febrero de 1897). "El efecto de la magnetización en la naturaleza de la luz emitida por una sustancia" . Nature . 55 (1424): 347. Bibcode : 1897Natur..55..347Z . doi : 10.1038/055347a0 .
  • Zeeman, P. (1897). "Over doubletten en tripletten in het spectro, teweeggebracht door uitwendige magnetische krachten" [ Sobre dobletes y tripletes en el espectro, causados ​​por fuerzas magnéticas externas ] . Verslagen van de Gewone Vergaderingen der Wis- en Natuurkundige Afdeeling (Koninklijk Akademie van Wetenschappen te Amsterdam) [Informes de las sesiones ordinarias de la Sección de Física y Matemáticas (Real Academia de Ciencias de Ámsterdam)] (en holandés). 6 : 13–18 , 99–102 y 260–262.
  • Zeeman, P. (1897). "Dobles y tripletes en el espectro producido por fuerzas magnéticas externas" . Philosophical Magazine . 5.ª serie. 44 (266): 55– 60. doi : 10.1080/14786449708621028 .

Moderno

  • Feynman, Richard ; Leighton, Robert B .; Sands, Matthew (1989). Las Lecciones de Física de Feynman . Vol.  3. Addison-Wesley . ISBN 0-201-02115-3.
  • Forman, Paul (1970). "Alfred Landé y el anómalo efecto Zeeman, 1919-1921". Estudios históricos en ciencias físicas . 2 : 153–261 . doi : 10.2307/27757307 . JSTOR 27757307 . 
  • Griffiths, David J. (2004). Introducción a la mecánica cuántica (2.ª  ed.). Prentice Hall . ISBN 0-13-805326-X.
  • Liboff, Richard L. (2002). Introducción a la mecánica cuántica (4.ª  ed.). Addison-Wesley . ISBN 0-8053-8714-5OCLC 50475492 
  • Sobelman, Igor I. (2006). Teoría de los espectros atómicos . Alpha Science. ISBN 1-84265-203-6OCLC 71825022 
  • Foot, CJ (2005). Física atómica . OUP Oxford. ISBN 0-19-850696-1OCLC 57478010 
  • Efecto Zeeman: control de la luz mediante campos magnéticos.