تأثير زيمان Zeeman effect لاحظ عالم الطبيعة الهولندي پيتر زيمان ظاهرة زيمان أوتأثير زيمان لأول مرة عام 1896. وهي تجزؤ خطوط الطيف عندما يوضع مصدر للضوء في مجال مغنطيسي. وتنشأ خطوط الطيف الضوئي عندما تنتقل إلكترونات الذرَّة من مستوى طاقة إلى مستوى طاقة آخر. ويشير نمط خطوط الطيف إلى مستويات الطاقة بالذرات، لأن الخطوط تتجزأ عندما تدخل الذرات في مجال مغنطيسي. وتفيد ظاهرة زيمان حتى مستويات الطاقة بالذرَّة قد تغيَّرت.

ولم يدرك الفهماء تمام الإدراك مدى أهمية ظاهرة زيمان حتى عشرينيات القرن العشرين حين اكتشفت نظرية ميكانيكا الكم. ويستطيع فهماء الفيزياء حتى يدرسوا الخصائص المغنطيسية للذرات والإلكترونات الموجودة بها من خلال ملاحظة خطوط الطيف المتجزئة. وتستخدم الظاهرة أيضًا في دراسة الجزيئات والنويات.

وهذا التأثير مشابه لتأثير آخر يسمى تأثير شتارك وهوانشقاق خطوط الطيف إلي عدة خطوط في حالة تعرض المصدر لمجال كهربائي. ويستخدم تأثير زيمان في تطبيقات عديدة في مطياف الرنين المغناطيسي، ومطياف رنين الدوران المغزلي للإلكترون، وفي التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). وكثيرا ما يستخدم تأثير زيمان للتعيين الدقيق للأطياف الامتصاصية للعناصر. وفي حالة قياس خطوط الطيف الامتصاصي، يسمى بتأثير زيمان العكسي.

مقدمة

توجد في الذرات توزيعات مختلة للإلكترونات لها طاقة محددة واحدة . لذلك تظهر عدة قفزات للإلكترونات متماثلة علي هيئة خط واحد في الطيف . وفي وجود مجال مغناطيسي خارجي تنشق تلك التوزيعات ، حيث يتآثر جميع منها مع المجال المغناطيسي بطريقة مختلفة بحسب الأعداد الكمومية لهذه التوزيعات، ذلك لأن الأعداد الكمومية المتنوعة تُعبر عن حالات مختلفة لطاقتها وهي فروقا طفيفة . والنتيجة أنه بينما كانت هناك عدة توزيعات بنفس الطاقة ، نجد الآن عدة من مستويات الطاقة المتنوعة قليلا ً تحت وطأة المجال المغناطيسي ، وهي تؤدي إلي انشقاق الخط الطيفي الواحد إلى عدة خطوط .

وطبقا للرسم التوضيحي ، تتسم التوزيعات a, b, c بحالة واحدة للطاقة ، كا ينطبق هذا علي التوزيعات d, e, f التي توجد في حالة طاقة محددة منخفضة عن حالة a, b, c . وفي وجود المجال المغناطيسي تنشق مستويات الطاقة . وينتج عن ذلك انه بينما كان يظهر لنا الانتنطق من a, b, c إلى d, e, f في خط واحد ، يصبح لدينا عدة خطوط بسبب وجود عدة من الإنتنطقات الممكنة بين a, b, c وd, e, f . ولكن لا يمكن للإلكترون القفز (الانتنطق) إلى جميع المستويات المنخفضة d, e, f بلا اثتثناء ، وإنما هومحكوم بقفزات مسموحة وأخرى غير مسموحة ، بحسب قاعدة لذلك (انظر أسفله).

ونظرا لأن مقدار الانشقاق في خطوط الطيف تتناسب تناسباً طرديا ً مع شدة المجال المغناطيسي الخارجي ، يستخدم فهماء الفلك تـاثير زيمان في قياس المجالات المغناطيسية للشـمس والنجوم الأخرى ومقارنتها.

مثال : الإنتنطق الخاص بخط لايمان-ألفا في الهيدروجين

يشتمل الانتنطق المنتمي لخط لايمان-ألفا في الإيدروجين في وجود الارتباط المغزلي-المداري، على الانتنطقات التالية:

${\displaystyle 2P_{1/2 \to 1S_{1/2$ و${\displaystyle 2P_{3/2 \to 1S_{1/2$ .

في وجود مجال مغناطيسي خارجي تنشق جميع من الحالتين الكموميتين 1S_1/2 ; 2P_1/2 إلى مستويين اثنين وهما: ${\displaystyle m_{j =1/2,-1/2$ حيث ${\displaystyle m_{j$ عدد الكم المغناطيسي (وهويحتوي في الحالة S على الدوران المغزلى للإلكترون فقط) ، وتنشق الحالة 2P_3/2 إلى أربعة مستويات للطاقة (${\displaystyle m_{j =3/2,1/2,-1/2,-3/2$). معاملات-ج للاندي للمستويات الثلاث هي:

${\displaystyle g_{J =2$ for ${\displaystyle 1S_{1/2$ (j=1/2, l=0)

${\displaystyle g_{J =2/3$ for ${\displaystyle 2P_{1/2$ (j=1/2, l=1)

${\displaystyle g_{J =4/3$ for ${\displaystyle 2P_{3/2$ (j=3/2, l=1).

${\displaystyle m_{j =3/2;1/2;-1/2;-3/2$ حيث حتى l=1 للمدار P ، و${\displaystyle m_{j$ في هذه الحالة هي محصلة الارطبات بين العزم المغزلي المغناطيسي للإلكترون والعزم المداري المغناطيسي ( انظر الشكل ).

ونلاحظ هنا :

• أن اتساع الانشقاق بين مستويات الطاقة مختلف باختلاف قيمة ${\displaystyle m_{j$ إذ حتى مقدار الانشقاق يتناسب مع شدة تآثر الإلكترون مع المجال المغناطيسي الخارجي ، والذي يحدده معامل يسمي (g - factor) والذي يعتمد على ${\displaystyle m_{j$ . ونرى إلي اليسار انشقاق الحالة الكمومية P إلى مستويين , وهذا الانشقاق يحدث حتي في غياب المجال المغناطيسي الخارجي ، إذ أنه ناتج عن الارتباط المغزلي-المداري ، المذكور أعلاه. ونلاحظ علي يمين الرسم الانشقاق الإضافي الناشئ عن تأثير زيمان ، والذي يحدت تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي.

• أنه ليست جميع انتنطقات الإلكترون من المستويات العليا إلى المستويات السفلى مسموح بها . فهناك انتنطقات مسموحة ،وأخرى غير مسموحة ، وتوجد قاعدة تتحكم في تصرف الإلكترون في هذا المجال.

الاستخدامات

الفيزياء الفلكية

George Ellery Hale was the first to notice the Zeeman effect in the solar spectra, indicating the existence of strong magnetic fields in sunspots. Such fields can be quite high, on the order of 0.1 Tesla or higher. Today, the Zeeman effect is used to produce magnetograms showing the variation of magnetic field on the sun.

تبريد الليزر

The Zeeman effect is utilized in many Laser cooling applications such as a Magneto-optical trap and the Zeeman slower.

انظر أيضاً

• ذرة
• تأثير شتارك
• magneto-optic Kerr effect
• Voigt effect
• Faraday effect
• Cotton-Mouton effect
• Polarization spectroscopy
• Magneto-optic Kerr effect
• Voigt effect
• Faraday effect
• Cotton-Mouton effect
• Polarization spectroscopy
• Zeeman energy
• Lamb shift
  • Electron configuration says at subshell p (l=1), there are ثلاثة energy level ml=-1,0,1, but we see only two p1/2 and p3/2. for subshell s(l=0), there is only 1 energy level (ml=0), but here we have 2. l corresponding to fine structure, ml corresponding to hyperfine structure.

الهامش

تاريخي

• Condon, E. U.; G. H. Shortley (1935). The Theory of Atomic Spectra. Cambridge University Press. ISBN .(Chapter 16 provides a comprehensive treatment, as of 1935.)
• Zeeman, P. (1897). "On the influence of Magnetism on the Nature of the Light emitted by a Substance". Phil. Mag. 43: 226.
• Zeeman, P. (1897). "Doubles and triplets in the spectrum produced by external magnetic forces". Phil. Mag. 44 (266): 55. doi:10.1080/14786449708621028.
• Zeeman, P. (11 February 1897). "The Effect of Magnetisation on the Nature of Light Emitted by a Substance". Nature. 55 (1424): 347. Bibcode:1897Natur..55..347Z. doi:10.1038/055347a0.

حديث

• Feynman, Richard P., Leighton, Robert B., Sands, Matthew (1965). The Feynman Lectures on Physics, Vol. 3. Addison-Wesley. ISBN .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• Forman, Paul (1970). "Alfred Landé and the anomalous Zeeman Effect, 1919-1921". Historical Studies in the Physical Sciences. 2: 153–261. doi:10.2307/27757307.
• Griffiths, David J. (2004). Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice Hall. ISBN .
• Liboff, Richard L. (2002). Introductory Quantum Mechanics. Addison-Wesley. ISBN .
• Sobelman, Igor I. (2006). Theory of Atomic Spectra. Alpha Science. ISBN .
• Foot, C. J. (2005). Atomic Physics. ISBN .