23. Ширина спектральных линий. Мультиплетность спектров. Спин электрона. Магнетон Бора.

Структура спектра, отражающая расщепление линий на компоненты, называется тонкой структурой. Сложные линии, состоящие из нескольких компонент, получили название мультиплетов. Тонкая структура обнаруживается, кроме щелочных металлов, также и у других элементов, причем число компонент может быть равно двум( дублеты), трем( триплеты), четырем( квартеты), пяти(квинтеты) и т.д.

Для объяснения тонкой структуры спектральных линий, а также ряда других трудностей в атомной физике американские физики Д. Уленбек (1900—1974) и С. Гаудсмит (1902—1979) предположили, что электрон обладает собственным неуничтожимым механическим моментом импульса, не связанным с движением электрона в пространстве, спином

Спин электрона (и всех других микрочастиц) — квантовая величина, у нее нет классического аналога; это внутреннее неотъемлемое свойство электрона, подобное его заряду и массе.

Если электрону приписывается собственный механический момент импульса (спин) L_s, то ему соответствует собственный магнитный момент р_ms. Согласно общим выво­дам квантовой механики, спин квантуется по закону где s — спиновое квантовое число.

По аналогии с орбитальным моментом импульса, проекция L_sz спина квантуется так, что вектор L_s может принимать 2s+1 ориентации. Так как в опытах Штерна и Герлаха наблюдались только две ориентации, то 2s+1=2, откуда s= ½ . Проекция спина на направление внешнего магнитного поля, являясь квантованной величиной, определяется выражением где т_s — магнитное спиновое квантовое число; оно может иметь только два значения: m_s = ± ½ .

Спектральная линия, обусловленная переходом уровня, соответствующего возбужденному состоянию атома, на основной, будет иметь ширину (на половине максимального значения) Dn = 1/t. С точки зрения классической теории конечность t обусловлена радиационными потерями энергии электрона, излучающего при ускоренном движении вокруг ядра, причем t − это время, за которое энергия убывает в е раз. Таким образом, даже в том идеальном случае, когда на атом не действуют никакие внешние силы, спектральная линия имеет конечную, т.н. естественную ширину.

Дополнительное уширение спектральных линий возможно при столкновениях атомов (т.к. при этом уменьшается t), а также при их тепловом движении (за счет эффекта Доплера). Если атом взаимодействует с излучением или с другими атомами (например, в кристаллической решетке), то он может перейти из основного состояния в возбужденное. Следовательно, его время жизни в основном состоянии также конечно, поэтому на самом деле и основной уровень имеет конечную ширину.

Собственный магнитный момент электрона равен Pm = –Ms·e/m = –e/m·1/2·h/2π .

Величину μБ = eh/4πmc = 4,8032·10-10 · 6.626176·10-27/4·3.1415926 · 9.109534·10-28 · 2.997925·1010 = 9.27·10-24 Dж/Тл (или А·м2) = 9.27·10-21 (эрг/Гс2) называют магнетоном Бора. Следовательно, собственный магнитный момент электрона равен одному магнетону Бора.