イーサンに質問してください: 磁場はどのようにしてエネルギー レベルを分割しますか?

物理学で最も注目すべき点の 1 つは、物理学がいかに普遍的であるかということです。 同じ種類の原子核 (固定数の陽子と中性子を持つ) を使用する場合、その原子核を周回する電子が占有することができるエネルギー レベルは固定されたセットのみになります。 電子がさまざまなエネルギー レベル間を遷移するとき、非常に特定の波長とエネルギーの光子を放出し (より低いエネルギー レベルに低下するときに)、吸収します (より高いエネルギー レベルに上昇するときに)。規則で許容される波長とエネルギーのみです。量子力学の。 これらのエネルギー準位の値は普遍的であり、宇宙のあらゆる場所でいつでも同じ種のすべての原子に対して同じです。

つまり、外部の電場または磁場のいずれかを加えるまでは。 突然、これらのエネルギー準位が分裂し、さまざまな値をとりますが、その分裂の量は適用される場の強さに完全に依存します。 しかし、どうしてそんなことが可能なのでしょうか？ それがジョン・コールが知りたいことであり、次のように尋ねます。

「ねえ、ゼーメン効果について論文を書いたことがありますか? […] 私が言いたいのは、理論的には光は磁場や電場によって曲げられないということだと思います。つまり、これらの効果は、ゼーマンとスターク、彼らは原子構造そのものを変更しているのでしょうか？」

ゼーマン効果は外部磁場を印加したときに見られるもので、シュタルク効果は外部電場を印加したときに見られるものです。 どちらも実際には原子エネルギー準位を分割しますが、それは予想されるような方法ではありません。

まず、これは真実です。光は、それ自体は電磁波であるにもかかわらず、磁場や電場のいずれによっても曲げることはできません。 非常に有名な話ですが、電場と磁場は運動中の粒子を曲げますが、それは粒子自体がゼロ以外の電荷で構成されている場合に限られます。

しかし、光子は帯電しておらず、帯電した成分で構成されていません。 外部の磁場や電場は光を偏光させ、伝播中に場の方向を変えることができますが、光自体を曲げることはできません。

しかし、ゼーマン効果とシュタルク効果は両方とも現実であるだけでなく、どちらもずっと前に実験的に観察されました。 理論家にとっての課題は、どのような影響が作用し得ないのかを証明することではなく、むしろ、観察された影響の重大な原因を明らかにし、その大きさと影響を説明することである。出現する条件。

ここで混乱が生じるのは、原子が光を発し、その光が電場または磁場の存在する領域を通って伝播するためではないためです。 これは分極を得る 1 つの方法ですが、ゼーマン効果やシュタルク効果のようなエネルギー レベルの分割を得る方法ではありません。

代わりに、原子 (または、より複雑な化学を好む場合は分子) 内のエネルギー レベルを分割する方法は、あるエネルギー レベルから次のエネルギー レベルへの臨界遷移の前に、原子 (または分子) 自体に電場または磁場を適用することです。別のことが起こります。 これらの光子は、すでに外部場が適用されている原子または分子内で生成され、そこでこの分裂が発生します。 私たちはそれを予想していたはずです。なぜなら、外部場がなくても、自然界で起こっている同じ根本的な効果を捉える微妙な方法があるからです。つまり、原子の微細構造を通じてです。

私たちのほとんどは、原子のエネルギー準位について考えるとき、それ自体が革新的だったボーア模型にまで遡ります。 1912 年、ボーアは、電子は惑星が太陽の周りを周回しているようには原子核の周りを完全には周回しておらず、目に見えない中心力によって所定の位置に保持されていると仮定しました。 その代わりに、ボーアの考えでは、惑星運動の場合に安定した軌道につながる速度と半径の任意の組み合わせを持つのではなく、電子が軌道を周ることができる特定の状態、つまり軌道だけが存在すると述べました。

ボーアは、電子と原子核が両方とも非常に小さく、反対の電荷を持っていることを認識し、原子核が実質的にすべての質量を持っていることを知っていました。 彼の画期的な貢献は、電子が特定のエネルギーレベルのみを占めることができるということを理解することであり、そこから「原子軌道」という用語が初めて生まれました。

電子は特定の特性を持つ原子核のみを周回することができ、その結果、個々の原子、つまりボーア原子に特有の吸収線と輝線が生じます。 しかし、これが今日私たちが一般に原子をイメージする方法であるにもかかわらず、ボーアが最初にそれを提案した 1912 年当時、私たちはこれがすべてではないことを知っていました。

1887 年、マイケルソンとモリーが、光が通過するための特定の基準枠におけるエーテル、つまり静止媒体の必要性を反証する有名な実験を構築し実行していたとき、彼らは発光と吸収について非常に綿密に研究していました。水素原子の性質。 驚くべきことに、これらの結果は、ボーア原子が最初に提案された時点ですでに 25 年前のものであり、すでにボーア モデルの予測と矛盾していました。

たとえば、ボーア モデルは、水素の第 2 エネルギー準位と、両方を備えた最初の励起状態を予測しました。

8 つの可能な電子配置すべてに対して同じエネルギーが得られます。 しかし、マイケルソンとモリーの結果は、ボーア値からの小さなシフトと複数の追加状態の両方を示しました。 ボーア モデルからの逸脱はわずかではありましたが、重要であり、最も驚くべき違いは、一部のエネルギー レベルが 2 つに分かれているように見えるのに対し、ボーア モデルはそれらが占有することができるエネルギー状態を 1 つしか持たなかったことです。

これらの追加のエネルギー準位は互いに非常に近く、またボーアの予測にも非常に近かった。 しかし、その違いは現実のものでした。したがって、物理学者の課題は、その違いの原因を説明することでした。

答えの鍵は、ボーアがモデルを作成する際に使用した仮定にありました。つまり、電子は荷電したスピンのない粒子であり、光の速度よりも大幅に遅い速度で原子核の周りを周回するというものでした。 これは、原子の大まかな構造、またはエネルギー準位の一般的な性質を説明するには十分でしたが、この追加のより微妙な構造については説明できませんでした。

物理学者アーノルド・ゾンマーフェルトによる、これを説明する最初の理論的試みが実現するまでに、わずか 4 年しかかかりませんでした。 ゾンマーフェルトの大きな気づきはこれでした。ボーアの単純化したモデルを使用して水素原子をモデル化し、基底状態の電子の速度の比率を取得し、それを光の速度と比較すると、特定の値が得られるということです。 ゾンマーフェルトはその値を α と呼び、今日私たちが微細構造定数として知っています。 これをボーア方程式に折り畳むと、実際に観察されるエネルギー準位に変化が生じ、エネルギー準位の観点から見た原子の粗い構造だけでなく、今日でも呼ばれているより正確な「微細構造」も説明できることがわかりました。 。

しかし、原子の構造をさらに詳しく調べてみると、ゾンマーフェルトが電子の運動の影響を説明したとしても、それが存在するすべてを完全に説明しているわけではないことがわかります。 それは、ゾンマーフェルトが、ボーアの粗いモデルに対する微細構造補正として機能する 3 つの主要な効果のうちの最初のものだけを説明したからです。

2 つ目は、電子のスピンが +ħ/2 か –ħ/2 (電子の軌道角運動量に対して正か負か) に関係なく磁気モーメントを生成し、その磁気モーメントが相互作用するため、特に関連性があります。電子の軌道角運動量に応じて、プラスまたはマイナスに変化します。

しかし、これよりもさらに深く進むことができます。 原子や分子に生じる微細構造よりもさらに微妙な効果、それが超微細構造です。

電子、荷電粒子が固有のスピンと固有の磁気モーメントを持っている場合、それは次のような磁場を形成するあらゆるものと相互作用する可能性があります。

荷電粒子または磁化粒子間の電磁相互作用は、原子および/または分子の内部のエネルギー準位を変える可能性があり、ボーアのオリジナルのモデルは、粒子の運動、それらの運動の変動、および微細構造を提供するスピン軌道相互作用を伴う粗い一般構造を提供します。その粗い構造を修正し、次に電子間のより微妙な相互作用と追加の内部および外部電磁効果により、粗い構造と微細な構造の上に超微細構造を提供します。

これらすべては、原子や分子内のエネルギー準位の構造を説明するために必要であり、外部から印加される電場や磁場を考慮し始める前にすべてが必要です。

しかし、この設定だけで、すでに解決策にほぼ到達しています。 外部の電場または磁場を原子または分子に適用すると、これらのエネルギーレベルも同じメカニズムによって影響を受けます。これは、回転、周回、帯電および本質的に磁気を帯びた電子とそれらの場との相互作用を通じてです。 ただ、今回は大きな違いがあります。原子や分子内の超微細構造の影響は常に微細構造の効果に比べて小さく、微細構造の効果は原子の粗大構造に比べて小さいため、印加される電気的影響の大きさは大きく異なります。そして磁場はあらゆる値を取ることができますが、制限されるのは実験室の設備によってのみです。

これは、外部電場を適用すると、原子や分子のさまざまな構成要素すべてと相互作用し、原子内の電子エネルギー レベルがさらに分裂することを意味します。 同様に、外部磁場を適用すると、電子のエネルギーレベルが以前よりもさらに分割されるという同じ効果が得られます。 ほとんどの場合、これらの効果は、原子内の微細構造および超微細構造によってすでに引き起こされている分裂を単に「拡大」するだけですが、場合によっては、エネルギー準位に追加の新しい分裂を引き起こすことさえあります。外部フィールドはオフになります。

ゼーマン効果とシュタルク効果のさらにすばらしい点は、どちらも古いものであるということです。原子の微細構造と超微細構造に関するほとんどの話よりも古いのです。 ピーテル ゼーマンは 1896 年にスペクトル線の磁気分裂の効果を発見しましたが、ヨハネス シュタルクは 1913 年に発光線と吸収線の同様の電気分裂効果を発見しました。相互作用が起こっていること、あるいはエネルギー準位が原子や分子自体の内部の磁気成分や電気成分によって影響を受ける可能性があることを、私たちは実験的に発見しました。

物理学や他の多くの科学では、実験的または観察的な「発見」が、後に発見される理論的な説明よりもはるかに先立って行われることがよくあります。 ゼーマン効果とシュタルク効果のどちらの場合も、これらは量子力学の現代の発展への道において極めて重要な発見であり、それぞれ 1902 年と 1919 年に当然のことながらノーベル賞を受賞しました。一般に、シュタルク効果は巨大になる可能性があります。したがって、原子を特定の波長で吸収または放出するように「調整」したい場合、スペクトル線分割は、電場ではなく磁場によって制御されます。 それにもかかわらず、それを作成するための鍵は、すでに飛行中の光子ではなく、放出または吸収する原子にフィールドを適用することです。

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