
Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

Спектры атомов щелочных металлов схожи со спектрами водорода : они также состоят из се-рий, причем линии в серии закономерно сгу-щаются к границе серии. Общий вид термов щелочных атомов имеет вид
(13.1)
где σ – некоторая поправка, различная для раз-личных серий.

На рисунке изображены
уровни энергии и пере-
ходы в атоме лития.
Видно качественное
сходство с атомом во-
дорода. Однако изуче-
ние структуры спект-
ральных линий указы-
вает на то, что уровни
p, d, f, …, - т.е. все, кро-
ме s – уровней – рас-
щеплены на два (т.е.
являются двойными).

Дублетная структура термов, а также некото-рые другие экспериментальные факты, на-пример аномальный эффект Зеемана, кото-рый мы рассмотрим позднее, вызвали в свое время (20-е годы прошлого столетия) большие затруднения у физиков. Эти фак-ты в конце концов привели к гипотезе о том, что у электрона существует собственный механический момент ( спин ) и связанный с ним магнитный момент. Эта гипотеза была выдвинута Уленбеком и Гаудсмитом ( Uhlenbeck G., Goudsmit S., 1925 г).

Величина механического момента – спина – может быть определена из факта дублетнос-ти термов атомов щелочных металлов. Как всякий момент спин электрона должен быть квантованным. Его величину принято обозна-чать буквой S (не путать с обозначением s -термов), и выражать с помощью соответству-ющего квантового числа s:
(13.2)

Далее число возможных проекций спина на выб-ранное направление равно 2 s +1. С другой стороны опыт показывает, что термы дублет-ны, поэтому спин имеет только две возможных ориентации. Следовательно
2 s +1 = 2 ,
отсюда
s = 1 / 2 ,

Кроме механического момента, электрон имеет и магнитный момент. Орбитальному движению электрона соответствует орбитальный магнит-ный момент, а спину – собственный магнитный момент.
Определим в рамках теории Бора величину орби-тального магнитного момента. “ Сила тока ” на орбите электрона i = e . Магнитный момент
где "площадь орбиты"

Поэтому
Итак,
(13.3)

Величина
(13.4)
называется магнетоном Бора и применяется для измерения магнитных моментов атомов и молекул:
(13.5)
Проекция магнитного момента на некоторое на-правление Z , так же, как и проекция момента импульса, может принимать 2 l +1 значений :
(13.6)
где m = 0, ± 1, ± 2, …± l .

Отношение величины магнитного момента к моменту импульса называется гиромаг-нитным отношением. Для орбитального момента
(13.7)

Собственному моменту импульса элект-рона – спину – соответствует и собст-венный магнитный момент μ s , причем вся совокупность экспериментальных фактов указывает на то, что этот собст-венный магнитный момент электрона равен :
(13.8)

Таким образом, гиромагнитное отношение для собственных моментов электрона
(13.9)
вдвое больше, чем для орбитальных моментов. Проекция собственного магнитного момента на некоторое направление Z , так же как и проек-ция спина, может принимать всего 2 значения :
(13.10)

Наличие спина и магнитного момента электрона объясняет многие экспериментальные факты. Например, дублетную структуру термов щелоч-ных атомов можно объяснить следующим об-разом. В состояниях l ≠ 0 (p, d, f, … - термы ) атом обладает орбитальным магнитным мо-ментом, с которым взаимодействует собствен-ный магнитный момент электрона, причем он может ориентироваться относительно орби-тального момента так, что его проекция равна либо + , либо – . Поэтому вместо од-ного уровня возникает два уровня, и p-, d-, f-,… термы являются двойными.