Fragen Sie Ethan: Wie teilen Magnetfelder Energieniveaus auf?

Eines der bemerkenswertesten Dinge an der Physik ist ihre Universalität. Wenn Sie die gleiche Art von Atomkernen nehmen – mit einer festen Anzahl von Protonen und Neutronen – dann gibt es nur einen festen Satz von Energieniveaus, die die Elektronen, die diesen Kern umkreisen, einnehmen können. Während die Elektronen zwischen den verschiedenen Energieniveaus wechseln, emittieren sie (wenn sie auf niedrigere Energieniveaus fallen) und absorbieren (wenn sie auf höhere Energieniveaus aufsteigen) Photonen einer ganz bestimmten Wellenlänge und Energie: nur die Wellenlängen und Energien, die durch die Regeln zulässig sind der Quantenmechanik. Die Werte für diese Energieniveaus sind universell: für alle Atome derselben Art überall und jederzeit im gesamten Universum gleich.

Bis Sie entweder ein externes elektrisches oder magnetisches Feld anlegen. Plötzlich spalten sich diese Energieniveaus und nehmen unterschiedlichste Werte an, wobei das Ausmaß der Aufspaltung ganz von der Stärke des angelegten Feldes abhängt. Aber wie ist das möglich? Das möchte Jon Coal wissen und fragt:

„Hey, hast du schon einmal einen Artikel über den Zeemen-Effekt geschrieben? […] Ich denke, ich versuche mir klarzumachen, dass Licht theoretisch nicht durch ein magnetisches oder elektrisches Feld gebogen werden kann. Also diese Effekte.“ , Zeeman und Stark, verändern sie die Atomstruktur [selbst]?“

Den Zeeman-Effekt sehen wir, wenn wir ein externes Magnetfeld anlegen, und den Stark-Effekt sehen wir, wenn wir ein externes elektrisches Feld anlegen. Beide spalten tatsächlich die atomaren Energieniveaus auf, aber nicht in der Art und Weise, wie man es vielleicht erwarten würde.

Zunächst einmal stimmt es: Obwohl Licht selbst eine elektromagnetische Welle ist, kann es weder durch ein magnetisches noch durch ein elektrisches Feld gebogen werden. Elektrische und magnetische Felder führen bekanntermaßen dazu, dass sich bewegte Teilchen verbiegen, allerdings nur, wenn diese Teilchen selbst aus elektrischen Ladungen ungleich Null bestehen.

Ein Photon ist jedoch ungeladen und besteht aus keinen geladenen Bestandteilen. Während äußere magnetische und elektrische Felder das Licht polarisieren und die Richtung seiner Felder während der Ausbreitung ändern können, können sie das Licht selbst nicht biegen.

Aber der Zeeman-Effekt und der Stark-Effekt sind nicht nur beide real, sie wurden beide schon vor langer Zeit experimentell beobachtet. Die Herausforderung für Theoretiker besteht nicht darin, zu zeigen, welche Effekte nicht im Spiel sein können – was die Tatsache zeigt, dass Photonen nicht durch elektrische oder magnetische Felder abgelenkt werden können –, sondern vielmehr darin, die entscheidende Ursache des beobachteten Effekts aufzudecken und seine Größe zu erklären die Bedingungen, unter denen es erscheint.

Die Verwirrung entsteht hier, weil es nicht daran liegt, dass Atome Licht aussenden und sich dieses Licht dann durch eine Region ausbreitet, in der ein elektrisches oder magnetisches Feld vorhanden ist; Das ist eine Möglichkeit, eine Polarisation zu erreichen, aber keine Möglichkeit, die Energieniveaus aufzuspalten, wie beim Zeeman-Effekt oder beim Stark-Effekt.

Stattdessen teilen Sie die Energieniveaus innerhalb eines Atoms (oder eines Moleküls, wenn Sie eine komplexere Chemie bevorzugen) auf, indem Sie das elektrische oder magnetische Feld an das Atom (oder Molekül) selbst anlegen, bevor der kritische Übergang von einem Energieniveau zu einem anderen erfolgt ein anderes geschieht. Diese Photonen werden innerhalb eines Atoms oder Moleküls erzeugt, an das bereits dieses äußere Feld angelegt wurde, und dort findet diese Aufspaltung statt. Wir hätten damit rechnen müssen, denn es gibt eine subtile Möglichkeit, denselben zugrunde liegenden Effekt zu erfassen, der in der Natur auch ohne äußeres Feld auftritt: durch die Feinstruktur von Atomen.

Wenn wir über die Energieniveaus in Atomen nachdenken, greifen die meisten von uns auf das Bohr-Modell zurück, das selbst revolutionär war. Im Jahr 1912 postulierte Bohr, dass die Elektronen den Atomkern nicht ganz so umkreisen, wie Planeten die Sonne umkreisen: Sie werden durch eine unsichtbare, zentrale Kraft an Ort und Stelle gehalten. Stattdessen, so Bohrs Idee, gab es nur bestimmte bestimmte Zustände, in denen Elektronen kreisen durften: Orbitale, im Gegensatz zu einer beliebigen Kombination aus Geschwindigkeit und Radius, die im Fall der Planetenbewegung zu einer stabilen Umlaufbahn führte.

Bohr erkannte, dass das Elektron und der Kern beide sehr klein waren, entgegengesetzte Ladungen hatten und wusste, dass der Kern praktisch die gesamte Masse besaß. Sein bahnbrechender Beitrag war die Erkenntnis, dass Elektronen nur bestimmte Energieniveaus besetzen können, woher auch der Begriff „Atomorbitale“ stammt.

Elektronen können den Kern nur mit bestimmten Eigenschaften umkreisen, was zu den Absorptions- und Emissionslinien führt, die für jedes einzelne Atom charakteristisch sind: das Bohr-Atom. Aber auch wenn wir uns Atome heute typischerweise so vorstellen, wussten wir bereits im Jahr 1912, als Bohr es erstmals vorschlug, dass es nicht die ganze Geschichte sein konnte.

Als Michelson und Morely 1887 ihr berühmtes Experiment konstruierten und durchführten, das die Notwendigkeit eines Äthers oder eines ruhenden Mediums in einem bestimmten Bezugssystem für den Durchgang von Licht widerlegen sollte, untersuchten sie die Emission und Absorption sehr genau Eigenschaften des Wasserstoffatoms. Und siehe da, diese Ergebnisse waren bereits 25 Jahre alt, als das Bohr-Atom erstmals vorgeschlagen wurde, und standen bereits im Widerspruch zu den Vorhersagen des Bohr-Modells.

Das Bohr-Modell sagte beispielsweise voraus, dass das 2. Energieniveau von Wasserstoff der erste angeregte Zustand sei, der beides hätte

würde für alle 8 möglichen Elektronenkonfigurationen die gleichen Energien ergeben. Aber die Ergebnisse von Michelson und Morely zeigten sowohl kleine Abweichungen vom Bohr-Wert als auch mehrere zusätzliche Zustände. Obwohl die Abweichung vom Bohr-Modell geringfügig war, war sie erheblich. Der verblüffendste Unterschied bestand darin, dass sich einige Energieniveaus scheinbar in zwei aufspalteten, während Bohrs Modell nur einen Energiezustand besaß, den sie einnehmen konnten.

Diese zusätzlichen Energieniveaus lagen extrem nahe beieinander und kamen auch Bohrs Vorhersagen sehr nahe. Aber die Unterschiede waren real, und so bestand die Aufgabe der Physiker darin, zu erklären, was sie verursachte?

Der Schlüssel zur Antwort lag in den Annahmen, die Bohr bei der Erstellung seines Modells zugrunde legte: dass Elektronen geladene, spinlose Teilchen seien, die den Atomkern mit Geschwindigkeiten umkreisen, die deutlich unter der Lichtgeschwindigkeit liegen. Dies war gut genug, um die grobe Struktur der Atome oder die allgemeine Natur der Energieniveaus zu erklären, nicht jedoch diese zusätzliche, subtilere Struktur.

Es dauerte nur vier Jahre, bis der erste theoretische Erklärungsversuch durch den Physiker Arnold Sommerfeld zustande kam. Sommerfelds große Erkenntnis war folgende: Wenn man ein Wasserstoffatom mit Bohrs vereinfachtem Modell modelliert, aber das Verhältnis der Geschwindigkeit eines Elektrons im Grundzustand mit der Lichtgeschwindigkeit vergleicht, erhält man einen bestimmten Wert. Sommerfeld nannte diesen Wert α, den wir heute als Feinstrukturkonstante kennen. Als man es in Bohrs Gleichungen einfügte, stellte man tatsächlich fest, dass es eine Verschiebung der beobachteten Energieniveaus verursachte, was nicht nur die grobe Struktur eines Atoms in Bezug auf die Energieniveaus erklärt, sondern auch diese präzisere „Feinstruktur“, wie sie auch heute noch genannt wird .

Aber wenn man sich die Struktur der Atome genauer anschaut, wird man feststellen, dass selbst wenn man Sommerfelds Erklärung für den Effekt der Elektronenbewegung berücksichtigt, dies nicht alles erklärt, was es gibt. Das liegt daran, dass Sommerfeld nur den ersten von drei Haupteffekten erklärte, die als Feinstrukturkorrekturen für Bohrs grobes Modell dienen.

Der zweite Punkt ist von besonderer Bedeutung, da der Spin des Elektrons, ob +ħ/2 oder –ħ/2 (positiv oder negativ relativ zum Bahndrehimpuls des Elektrons), ein magnetisches Moment erzeugt und dieses magnetische Moment auch wechselwirkt positiv oder negativ, mit dem Bahndrehimpuls des Elektrons.

Aber wir können noch tiefer gehen. Es gibt einen noch subtileren Effekt als die Feinstruktur, die in Atomen und Molekülen entsteht: die Hyperfeinstruktur.

Wenn Elektronen, geladene Teilchen, einen intrinsischen Spin und ein intrinsisches magnetisches Moment haben, dann kann das mit allem interagieren, was ein Magnetfeld erzeugt, einschließlich:

Jede elektromagnetische Wechselwirkung zwischen geladenen oder magnetisierten Teilchen kann die Energieniveaus innerhalb von Atomen und/oder Molekülen verändern, wobei Bohrs ursprüngliches Modell die grobe, allgemeine Struktur liefert, wobei Teilchenbewegungen, Fluktuationen dieser Bewegungen und die Spin-Bahn-Wechselwirkung für die Feinstruktur sorgen Korrekturen dieser groben Struktur und dann mit subtileren Wechselwirkungen zwischen Elektronen und zusätzlichen internen und externen elektromagnetischen Effekten, die eine Hyperfeinstruktur über der Grob- und Feinstruktur erzeugen.

All dies ist erforderlich, um die Struktur der Energieniveaus innerhalb von Atomen und Molekülen zu erklären, und das alles, bevor wir überhaupt beginnen, von außen angelegte elektrische und magnetische Felder zu berücksichtigen.

Aber allein mit diesem Setup sind wir schon fast bei der Lösung angelangt! Wenn Sie ein externes elektrisches oder magnetisches Feld an ein Atom oder Molekül anlegen, werden auch diese Energieniveaus durch denselben Mechanismus beeinflusst: durch die Wechselwirkung dieser rotierenden, umlaufenden, geladenen und intrinsisch magnetischen Elektronen mit diesen Feldern. Nur gibt es dieses Mal einen großen Unterschied: Während die Hyperfeinstruktur innerhalb von Atomen und Molekülen im Vergleich zu den Feinstruktureffekten immer einen kleinen Effekt hat und die Feinstruktureffekte im Vergleich zur Grobstruktur von Atomen klein sind, ist die Größe der angelegten Elektrizität gering und Magnetfelder können jeden Wert annehmen, der nur durch unsere Laboraufbauten begrenzt ist.

Das bedeutet, dass, wenn Sie ein externes elektrisches Feld anlegen, dieses mit allen verschiedenen Komponenten Ihrer Atome und Moleküle interagiert, was dazu führt, dass sich die Elektronenenergieniveaus innerhalb der Atome weiter aufspalten. Wenn Sie ein externes Magnetfeld anlegen, hat dies die gleichen Auswirkungen: Die Energieniveaus der Elektronen werden noch weiter aufgespalten als zuvor. Während diese Effekte in den meisten Fällen die Aufspaltungen, die bereits durch die Fein- und Hyperfeinstruktur innerhalb der Atome hervorgerufen wurden, einfach „verstärken“, können sie in einigen Fällen sogar zusätzliche, neue Aufspaltungen in den Energieniveaus verursachen: Aufspaltungen, die vollständig verschwinden, wenn die Das externe Feld ist ausgeschaltet.

Das Besondere am Zeeman-Effekt und am Stark-Effekt ist, dass beide alt sind: älter als der Großteil der Geschichte über die Fein- und Hyperfeinstruktur in Atomen. Pieter Zeeman entdeckte bereits 1896 den Effekt der magnetischen Aufspaltung von Spektrallinien, während Johannes Stark bereits 1913 den analogen elektrischen Aufspaltungseffekt für Emissions- und Absorptionslinien entdeckte. Noch bevor wir überhaupt erkannten, dass Elektronen einen Spin, also eine Spinbahn, hatten Obwohl Wechselwirkungen stattfanden oder dass die Energieniveaus durch magnetische und elektrische Komponenten innerhalb der Atome und Moleküle selbst beeinflusst werden könnten, hatten wir diese Effekte experimentell entdeckt.

In der Physik und in vielen anderen Wissenschaften kommt es häufig vor, dass experimentelle oder beobachtende „Entdeckungen“ der theoretischen Erklärung, die wir später für sie finden, weit vorausgehen. Sowohl der Zeeman- als auch der Stark-Effekt waren äußerst wichtige Entdeckungen auf dem Weg zur modernen Entwicklung der Quantenmechanik und wurden 1902 und 1919 zu Recht mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Generell kann der Stark-Effekt enorm sein Wenn Sie also ein Atom so einstellen möchten, dass es bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert oder emittiert, wird die Aufteilung der Spektrallinien durch magnetische und nicht durch elektrische Felder gesteuert. Dennoch liegt der Schlüssel zur Entstehung darin, Ihr Feld auf das emittierende oder absorbierende Atom anzuwenden, nicht auf das Photon, sobald es bereits im Flug ist!

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