J.Z na podstawie W. Gawlika,2014
J
L S
• Dla oddz. spin-orbita model wektorowy daje: VLS = a3 l1 ∙s1+ a4 l2 ∙ s2 = A L∙S tzn. L & S precesują wokół J a częstość precesji
jest miarą siły oddziaływania (A L∙S)
Podsumowanie W4:
model wektorowy: jeśli V , to l s gdzie
LS
j l s const
l, s precesują wokół wypadkowego krętu j
•
Dla czystego sprzężenia L-S, interwały między składowymi struktury subtelnej spełniająregułę interwałów Landégo ( 1)
0
1 0
0
E A J
EJ J
l s dtl
d
s l s
dt
d
c V s m
dr l dW r c m c
m eV p
m
H p2 34 2 2 2 22 2 8
1 2
1 8
2
Efekty relatywistyczne
r. Diraca elektronu w polu zewn.
Ac p e p
eV E
E A
V
,
,
V e mc c A
p e t c
d
id 2
0 1ˆ
0 , 1ˆ
ˆ ˆ
ˆ
ˆ ˆ ˆ
0 ,
, 0
x y z
y x z
e e
i e
e i e
U e
Dla małych prędkości r. Diraca r. Pauliego:
U mc B
V e e c A
p e HU m
t d i dU
2 2
1 2
mc s e mc
e
2
różni się od r. Schr. o potencjalną energię dipola w polu zewn. B = rotA elektron
zachowuje się jak cząstka mająca ładunek i moment magnetyczny:
E c di
m p e
c E m
e c
m eV p
m
H p2 34 2 2 2 22 2 ] 8
4 [ 8
2
J.Z na podstawie W. Gawlika,2014
poprawka : 34 2 2 2 2 2 0 2
2 1 2
2 1
8 H W
mc m
p mc c
m
p
' 2 0 2 0 2 2 2 2 2 22 4
2 ) 1
2 ( 1
r e Z r
E Ze mc E
r W Ze
E H
W mc H
E n n
n
n n
wykorzyst. funkcje wodorowe:
0 2
2 2 2
0 3 2 2 1
0
2 2
, 1 )
( 1 , 1
1 1
a n
e E Z
a Z n l
r a
Z n
r n
2 2 1
2 2 '
4 3
l E n
n E Z
n n
poprawka - oddz. spin – orbita:
l r s d dW r c E m
n
1
2 2 2
2
" ,
) 1 ( ) (
1 , 1
, 1
3
0 3 2
3 1 3
2 2
a
Z n l
l l r
r Ze r
d dW r r
W Ze gdy
l l s
l l E n n E Z
n n
2 ( 21)( 1)
2 2
" sl 21
j(j1)l(l 1)s(s1)
, j l 12
2 2 1
2 2
4 '' 3
'
"
' j
E n n
E Z E
E
E n
poprawka (Darwina)
) 2 (
) (
4 2 2
2 2
c r m
e Z r
Z V
V grad
E
0 tylko tam, gdzie
są ładunki (r=0)
l0, E= E’+ E”; l=0, E= E’+ E’’’
n=3 n=2
n=1
Wodór:
1
2S
1/22
2S
1/2, 2
2P
1/22
2P
3/23
2S
1/2, 3
2P
1/23
2P
3/2, 3
2D
3/23
2D
5/2
pozostajedegeneracja przypadkowa E
c di m
Ze2222
8
n n E
Z n
a Z c
m e E Z
n n
n 2
2 2 3
3 0 2 3
2 2
2 2 2 '
"
) 0 ( )
0 2 (
J.Z na podstawie W. Gawlika,2014
Magnetyzm atomowy:
oddział. atomów z polem magnet. – skomplikowane, bo J złożone z różnych krętów, – konkurencja różnych oddziaływań.gdy pole = stałe, jednorodne pole B||0z, to:
0 ,
,
) (
, 0
2 1 2
1
2 1
z z
y z
x B y A B x A
A
r B A
V
2 2 2 2 2
2
8 sin
2 B r
m Bl e
H m B z z
efekty Zeemana i Paschena-Backa
eV e A
e A i
e A m i
H
2
2 ( ) 2
2
1
) (
0 cechowanie Coulomba A
di
A
2 2
2 2 2 2
2 2
4 sin )
( )
4 ( e B r
r B r e B
e A
z
z B z
z y
x z
y x
z e B l m Bl
grad e A
i x
y i l x
y B grad
A
2
2 )
( )
2 (
1
m e
B 2
c Gauss
c2 2 SI
0 0
2 1
poprawka diamagnetyczna
• cząstka o ładunku e w polu (A,V) p e A eV
H m
2
2
1
B = magneton Bohra
ogólnie B B lB
• atom w polu B:
H=H
0+T
ES+T
LS+W
i i
i i
i i
B
i B S
i i
i
i B
r m B
B e s l
W
B s B
r m B
B e l W
i
2 2 2 2 2
2 2 2 2 2
8 sin )
2 (
2 8 sin
rzędy wielkości dla l=1, B=1T :
J m
r r
m B e
J mB
B e
i i
i i
B
28 10
2 2 2 2 2
23
10 10
sin 8 sin
2 10
dla niskich stanów zaniedb. popr. diamagnet.(<r> n2 )
oddz. atomu z polem – konieczne przybliżenia zależne od relacji TES ,TLS , W
• efekt Zeemana w słabym polu dla sprzęż. L-S:
) 2 (L S B
W B
B B
B S L
W B B L S
( 2 ) ( )
kryterium słabego pola; W<< str. subt.
rach. zaburzeń wzgl. poziomu 2S+1LJ
!
J.Z na podstawie W. Gawlika,2014
poprawka od oddz. z zewn. polem (L-S):
W komutuje z Jz, macierz (W) – diagonalna w bazie |E0 JmJ>
rach. perturbacyjny możliwy, gdy: '0 1
' 0
'
,
J J
m m
E E
W
J J
problem – obliczenie el. macierzowego z
operatora L+2S w bazie stanów J, mJ , gdy L 2S J, Lz 2Sz Jz, B|| 0z
podstawa modelu wektorowego:
tylko J jest całką ruchu, wektor A precesuje wokół J
określony tylko jego rzut A||
(częstość precesji - miarą J•A)
J
A A
|| A A cJ||
tw. Wignera-Eckarta (tw. rzutowe):
dla operatorów wektorowych w przestrz. |JmJ> {J2, Jz}:J J
A J
A
2
) 2 (
, '
|
| 0
0
, ' E Jm W E Jm W B L S
W J J B
m mJ J
(
zastosowaliśmy już na W4 licząc VLS dla at.2-el.)] 2 [
) (
) 2
( 2 12 2 2 2
2 2 2
2 J J S L
S J S
J L
S J S L
J J S J J S L
J
czynnik Landego
J g S
L
2
J
) 1 (
)]
1 ( ) 1 ( ) 1 ( [ ) 1
( 21
J J
L L S
S J
J J
g J 0
) 1 (
)]
1 ( ) 1 ( ) 1 ( 2
1 1
gJ
J J
L L S
S J
g J
q m m J J
q J
J q
J E Jm J E Jm g m J J
J J
A Jm J
E A Jm
E
0 0 0 | | 0 ' , '
) 1 (
| ' |
|
|
J g S
L
2
J2
g J
g
J
czynnik Landego (Landé factor)
• problem: znalezienie el. macierz. w bazie J, mW B (L 2S) J
B
tw. Wignera-Eckarta dla A L+2S:
• równ. dla el.macierz. równ. operatorów:
J J
A J
A
2
J.Z na podstawie W. Gawlika,2014
B m g B
J g E
J
L S
J J
J S J
L J
J J
J J
J S J
J L
S L J
J
J B
B B
B B
B S
B L
S J L J
J
2 2 2
2
2
2 3
| 2 2 |
|
|
2
ef. Zeemana w modelu wektorowym
• oddz. B z atomem =
)
( L S
B
B || 0z
S
LS S
L
L L B S B
, 2
•
J, 2J+1 równoodległych podpoziomów
J S
L
• L i S precesują wokół J
J• gdy słabe pole mgt., precesja L i S niezaburzona
Li
S precesują wokółJ
nie pokrywa się z kierunkiemJ
ale szybko (~L•S) precesuje wokółJ
• przy obliczaniu
(, B) szybko oscyluje, ale ma średnią wartość = (J, B)
B E
)
)
B
E J
klasyczny „ normalny ” ef. Zeemana:
S=0 (singlety), J=L,
||J=L gL=1, efekt czysto orbitalny,
0 0 , 0 E/h
„normalny”
tryplet Lorentza
B m E
B LL=2
2 1 0 -1 -2
Dowód spinu el.
Dowody
spinu:
• str. subtelna, dubletowa str.
widm alkaliów,
• „anomalny” ef. Z.
• Doświadczenie Sterna-Gerlacha Gdy L=0, J=S, gS=2, efekt czysto spinowy, (naprawdę gS 2+0.001 QED!)
m = 0, ±1 kwestia reguł wyboru później
Gdy S 0, J L, gJ 1
Różne rozszczepienia, dla różnych J
„anomalny” efekt Zeemana
Nobel 1908 (+ H.A. Lorentz)
B m E
B LL=1
1 0 -1
mL
kombinacji L (|m|1)
J.Z na podstawie W. Gawlika,2014
od lewej: Peter Zeeman, Albert Einstein, Paul Erhenfest
(źródło: http://www.mlahanas.de/Physics/Bios/PieterZeeman.html)
Przykład – sprzężenie. L-S + ef. Zeemana dla konfiguracji. p
2H0
p
2[15]
stopień degeneracji
+W
m
JB 0
w sumie
15 podpoziomów
J
2J+1 równoodległych podpoziomów
Zeemanowskich
H0 + VES
L=0, S=0 L=2, S=0
L=1, S=1
[(2L+1)(2S+1)]
H0+VES+VLS
J=1
3P
1J=2
3P
2J=0
3P
0J=2
1D
2J=0
1S
0[2J+1]