1. Магниттік оптика. Зееман эффектісі

Магнетооптика — оптиканың магнит өрісі әсерінен заттың оптикалық қасиеттерінің өзгерістерін зерттейтін саласы. Питер Зееман (нидер. Pieter Zeeman; 25 сәуір 1865, Зоннемайре, Нидерланд — 9 қазан 1943, Амстердам) — нидерланд физигі, физика бойынша Нобель сыйлығының 1902 жылғы лауреаты, Хендрик Лоренцпен бірлесіп, "радиациялық құбылыстарға" магнетизм әсерін зерттеулерде ерен еңбегі үшін алды. Атомдағы электронның спиндік қозғалысының спектрлік сызығы жұқа құрылым құрады, ал магнит өрісіндегі атомдар спектрі күрделі спектр құрады, ол күрделі Зееман эффектісі деп аталады.

Магниттік оптикалық құбылыстардың басым көпшілігі атомның энергетикалық деңгейлерінің жіктелуімен тікелей байланысты. Осы жіктелулер, негізінен, Зееман эффектісінде байқалады. Басқа Магниттік оптикалық құбылыстар да Зееман эффектісінің салдарынан болады және бұлар зеемандық оптикалық ауысулардың поляризация сипаттамаларының ерекшеліктерімен, дисперсиясы бар ортада поляризацияланған жарықтың таралу заңдылықтарымен байланысты. Магнит өрісінде электр өрісі немесе деформациялар әрекетінен пайда болатын кәдімгі сызықты оптикалық анизотропиядан басқа, өріске перпендикуляр жазықтықта екі айналу бағыттары пара-пар болмайтын циркулярлық анизотропия пайда болады. Осы жағдай магнит өрісінің аксиалдығының салдарынан туындайды. Магниттік оптиканың негізгі құбылыстарын магнит өрісінің бағыты бойынша топтастыруға болады. Нәтижесінде екі негізгі жағдай қарастырылады:
·Жарықтың сәуле шығаруының толқындық векторы (k) магнит өрісіне (Н) параллель;
·Жарықтың толқындық векторы магнит өрісіне перпендикуляр.
Зееман құбылысы екі жағдайда да байқалады және зеемандық жіктелу құраушыларының поляризация сипаттамаларының әр түрлі болуы осы жағдайлардағы магнит өрісі мен индукцияланған анизотропияның әр түрлі сипатта болуына әкеліп соғады. Сонда монохроматты жарық өріс бойымен таралған кезде (Зееманның бойлық эффектісі) оның оңға және солға циркулярлы поляризацияланған құраушылары әр түрлі жұтылады (магниттік циркулярлық дихроизм), ал жарық магнит өрісіне көлденең таралғанда (Зееманның көлденең эффектісі) магниттік сызықты дихроизм байқалады, яғни магнит өрісіне параллель және перпендикуляр сызықты поляризацияланған құраушылар әр түрлі жұтылады. Осы поляризацияланған эффектілердің сәуленің толқын ұзындығынан тәуелділігі күрделі болады, бұл мөлшері спектрлік сызықтардың енінен әлдеқайда кіші зеемандық жіктелудің шамасы мен сипатын анықтауға мүмкіндік береді.

Спектрлік сызықтардың жіктелуі ортаның сыну көрсеткішінің жарықтың толқын ұзындығынан тәуелділігін сипаттайтын дисперсия қисықтың тиісті жіктелуіне әкеледі (қ. Жарық дисперсиясы, Жарықтың сынуы). Осының нәтижесінде жарық өріс бойымен таралған кезде оң және сол дөңгелек бойынша поляризацияланған жарық үшін сыну көрсеткіштері әр түрлі болып шығады (сәуленің магниттік циркулярлы қосарланып сынуы). Ал орта арқылы сызықты поляризацияланған монохроматты жарық өткен кезде оның поляризация жазықтығы бұрылады (қ. Фарадей эффектісі). Магнит өрісіне қатысты жарықтың көлденең таралуы жағдайында екі сызықты поляризация үшін сыну көрсеткішінің әр түрлі болуы сәуленің сызықты магнит қосарланып сынуы (қ. Коттон — Мутон эффектісі) байқалады. Қатты денелердің Магниттік оптикасы 20 ғ-дың 60 — 70-жылдарынан бастап қарқынды дамыды. Әсіресе, бұл шала өткізгіштердің және ферриттер және антиферромагнетиктерсияқты магнитті реттелген кристалдардың Магниттік оптикасына қатысты болды. Лазердің жасалуына байланысты жарық ағынының қарқындылығы үлкен болған жағдайда ғана білінетін бірқатар жаңа Магниттік оптикалық эффектілер пайда болды. Магниттік оптикалық эффектілер ақпарат жазу және сақтау құрылғыларында (Магниттік оптикалық дискілер), лазер сәулесін басқару жүйелерінде, лазерлік гироскоптарды, интегралдық оптика элементтерін құрастырғанда, т.б. қолданылады.

Магнит өрісінде спектрлік сызықтар бөлінуі мүмкін деген болжамды алдымен Майкл Фарадей жасаған, алайда ол жеткілікті күшті өріс көзінің болмауына байланысты әсерді байқай алмады. [1] Бұл әсерді алғаш рет 1896 жылы Питер Зееман ашылған, ол тар жасыл-көк кадмий сызығы үшін пайда болды. Өз тәжірибесінде Зееман 10,000 - 15,000 Gs магнит өрістерін қолданып, триплетке бөлінген сызықты байқады.
Зееман Фарадейге идеяның авторы ретінде сілтеме жасады. 1897 жылы 31 қазанда Хендрик Лоренц бұл тәжірибелер туралы білді, келесі күні ол Зееманмен кездесіп, оған өзі жасаған классикалық электронды теория негізінде түсінік берді. Көп ұзамай, көптеген басқа заттардың спектрлік сызықтары магнит өрісіне күрделі түрде бөлінетіні анықталды. Бұл әсерді тек кванттық физика аясында спин туралы идеяларды дамытумен түсіндіруге болатын еді. Бұл әсерді ашып, түсіндіргені үшін Зееман мен Лоренцке физика саласындағы 1902 жылғы Нобель сыйлығы берілді.

2. Қалыпты және Аномалды Зееман эффектісі

Қалыпты Зееман эффектісі спектрлік сызықты үш сызыққа бөлетін тек орбитальды бұрыштық импульске байланысты. Зееманның аномальды әсері нөлдік емес спиндік бұрыштық импульстің әсерінен болады, бұл төрт немесе одан да көп спектрлік сызықтардың бөлінуін тудырады. Демек, аномалды Зееман эффектісі орбиталық бұрыштық моменттен басқа спиндік сингулярлы импульс қосумен шынымен қалыпты Зееман эффектісі деп тұжырым жасауға болады. Осылайша, қалыпты және аномалды Зееман эффектінің арасында аз ғана айырмашылық бар.

Қалыпты Зееман эффектісі дегеніміз не?
Қалыпты Зееман эффектісі қолданылатын магнит өрісіне перпендикуляр бағытта байқалған кезде спектрлік сызықтың магнит өрісіндегі үш компонентке бөлінуін түсіндіретін құбылыс. Бұл әсер классикалық физика негіздерімен түсіндіріледі. Зееманның қалыпты әсерінде тек орбитальды бұрыштық импульс қарастырылады. Айналдыру моменті, бұл жағдайда нөлге тең болады. Қалыпты Зееман эффектісі атомдардағы синглеттік күйлер арасындағы ауысулар үшін ғана жарамды. Қалыпты Зееман эффектісін беретін элементтерге He, Zn, Cd, Hg, т.б.
Зеeман аномалды эффектісі дегеніміз не?
Зееманның аномалды эффектісі - бұл магнит өрісіне перпендикуляр бағытта қараған кезде спектрлік сызықты төрт немесе одан да көп компоненттерге бөлуді түсіндіретін құбылыс. Бұл эффект қарапайым Зееман эффектінен гөрі күрделірек; осылайша оны кванттық механика негізінде түсіндіруге болады. Айналдыру бұрыштық импульсі бар атомдар Зееманның аномалды әсерін көрсетеді. Na, Cr, т.с.с., бұл әсерді көрсететін элементар көздер болып табылады.

3. Қалыпты және аномалды Зееман эффектінің арасындағы айырмашылық

4. Қарапайым Зееман эффектісі

1- суретте L=1 және L=0күйлері арасындағы ауысу (P→S) үшін,ал 2-суретте L=2 және L=1 күйлері арасындағы ауысу (D→P) үшін деңгейлердің және спектрлік сызықтардың жіктелуі көрсетілген.

Зееман эффектісінің жоғары ретті дублеттері (екі еселі) мен мультиплеттері (көп еселі) үшін жіктелудің күрделі бейнесі байқалады: бір-бірінен бірдей қашықтықта тұрған бірнеше σ-құраушылары және олармен салыстырғанда симметриялы екі σ-құраушылар тобы (аномальды немесе күрделі Зееман эффектісі) түзіледі. Жіктелудің шамасы Н-қа пропорционал және оның мәні салыстырмалы түрде аз H¤20 кЭ үшін оның шамасы -нің ондық үлесіндей). Күшті магнит өрісінде күрделі Зееман эффектісінің орнына зеемандық триплетті (Пашен-Бак эффектісі) байқауға болады. Зееман эффектісі кванттық жүйенің (мысалы, атомның) магниттік моментінің болуымен түсіндіріледі. Ол атомның механикалық моментімен байланысқан және кеңістікте белгілі бір бағытпен ғана бағдарлануы мүмкін. Н-тың бағытындағы магниттік моменттің әрбір проекциясына қосымша энергия сәйкес келеді де, деңгей жіктеледі. Зеемандық жіктелу бейнесін зерттеу арқылы атомның және атомдық жүйелердің нәзік түзілістерін талдауға болады. Бұл эффектінің негізінде кванттық электроника құрылғылары жасалады.