تأثير زيمان - Zeeman effect

ما هو تأثير زيمان – Zeeman effect؟

تأثير زيمان (Zeeman effect)، في الفيزياء وعلم الفلك، هو تقسيم الخط الطيفي إلى مكونين أو أكثر بتردد مختلف قليلاً عند وضع مصدر الضوء في مجال مغناطيسي. لوحظ لأول مرة في عام (1896م) من قبل الفيزيائي الهولندي “بيتر زيمان” كتوسيع للخطوط (D) الصفراء (yellow D-lines) للصوديوم في لهب بين أقطاب مغناطيسية قوية. في وقت لاحق، وجد أنّ التوسيع هو تقسيم واضح للخطوط الطيفية إلى ما يصل إلى (15) مكوناً.

أكسبه اكتشاف “زيمان” جائزة نوبل للفيزياء عام 1902م، والتي تقاسمها مع مدرس سابق وهو “هندريك أنطون لورنتز“، الذي طور في وقت سابق نظرية تتعلق بتأثير المغناطيسية على الضوء، افترض أنّ تذبذبات الإلكترونات داخل الذرة تنتج الضوء وأنّ المجال المغناطيسي سيؤثر على التذبذبات وبالتالي على تردد الضوء المنبعث.

شرح تأثير زيمان:

تم تأكيد هذه النظرية من خلال بحث “زيمان” وتم تعديلها لاحقاً بواسطة ميكانيكا الكم، والتي وفقاً لها تنبعث خطوط طيفية من الضوء عندما تتغير الإلكترونات من مستوى طاقة منفصل إلى آخر. يتم تقسيم كل مستوى، الذي يتميز بالزخم الزاوي “الكمية المتعلقة بالكتلة والدوران”، في مجال مغناطيسي إلى محطات فرعية ذات طاقة متساوية. يتم الكشف عن هذه المحطات الفرعية للطاقة من خلال الأنماط الناتجة لمكونات الخط الطيفي.

ساعد تأثير زيمان علماء الفيزياء في تحديد مستويات الطاقة في الذرات وتحديدها من حيث العزم الزاوي. كما أنّه يوفر وسيلة فعّالة لدراسة النوى الذرية وظواهر مثل الرنين الإلكتروني المغناطيسي. في علم الفلك، يُستخدم تأثير زيمان في قياس المجال المغناطيسي للشمس والنجوم الأخرى.

معادلة تأثير زيمان:

مباشرة بعد اكتشاف زيمان، شرح “هندريك لورنتز” تأثير زيمان من منظور الفيزياء الكلاسيكية، على أنّه شحنة كهربائية تتحرك في مدار دائري في مجال مغناطيسي. الترددات المتوقعة لخطوط زيمان المنقسمة هي:

v = v₀ + eB / 4π m_eC,  v = v₀ – eB / 4π m_eC

حيث (v₀) هو تردد الخط غير المتحرك، و(e) شحنة الإلكترون، و(B) هي شدة المجال المغناطيسي، و(m_e) كتلة الإلكترون، و(c) هي سرعة الضوء.

شرح معادلة تأثير زيمان:

قد يشير ما سبق إلى أنّه في وجود مجال مغناطيسي، فإنّ الذرة ستصدر خطين طيفيين عند الترددات المعطاة بواسطة المعادلة السابقة. ومع ذلك، فإنّ المكون المتجه لتسارع الإلكترون المتعامد مع خط البصر فقط هو الذي ينتج إشعاعاً كهرومغناطيسياً على طول خط البصر.

بالنسبة للذرات ذات المستويات المدارية الإلكترونية المتعامدة على خط الرؤية، حيث تتسارع الإلكترونات في مداراتها الدائرية، فإنّها ستصدر إشعاعاً مستقطباً دائرياً على طول اتجاه المجال المغناطيسي.

نظرًا لأن الإلكترونات مشحونة سالباً، فإنّ الإشعاع المستقطب دائرياً الأيمن له تردد أعلى والإشعاع الأيسر المستقطب دائرياً التردد المنخفض. من ناحية أخرى، إذا لاحظ المرء عمودياً على متجه المجال المغناطيسي (B) مع دوران الإلكترون بشكل عمودي على (B)، فإنّ تسارع الإلكترون العمودي على (B) هو فقط الذي ينبعث منه إشعاع على طول خط البصر، وسيكون هذا الإشعاع مستقطباً خطياً بشكل عمودي إلى (B).

في الممارسة العملية، لا يمكن للمرء أن يلاحظ ذرة واحدة ولكن مجموعة من الذرات ذات المستويات المدارية الإلكترونية الموزعة عشوائياً المرتبطة بالمجال (B). في حالة الملاحظات على طول اتجاه المجال المغناطيسي، فإنّ إسقاط هذه المدارات على المستوى العمودي على (B) ستنتج نفس مكوني “زيمان” المستقطبين دائرياً.

بالنسبة للملاحظات المتعامدة مع (B)، يتم إدخال تردد إشعاع مختلف عن مكوني “زيمان”. ستنتج مدارات الإلكترون الموازية لـ (B) إشعاعاً مستقطباً خطياً موازٍ لـ (B) ولكن غير متحرك في التردد لأنّ تسارع الإلكترون الذي ينتج الإشعاع موازٍ لـ (B)، وبالتالي لا توجد قوة إضافية ينتجها المجال المغناطيسي.

تقسيم زيمان الطيفي – Zeeman Spectral Splitting:

يعد نمط ومقدار الانقسام علامة على وجود مجال مغناطيسي وقوته. يرتبط الانقسام بما يسمى العدد الكمي للزخم الزاوي المداري (L) للمستوى الذري. يمكن أن يأخذ هذا الرقم الكمي قيماً صحيحة غير سالبة. عدد مستويات الانقسام في المجال المغناطيسي هو (2 × L + 1).

يمكن تفسير تأثير زيمان من حيث مقدمة متجه الزخم الزاوي المداري في المجال المغناطيسي، على غرار مقدمة محور قمة الغزل في مجال الجاذبية.

استقطاب الخطوط الطيفية – Polarization of Spectral Lines:

تُظهر الخطوط المقابلة لتقسيم زيمان أيضاً تأثيرات استقطاب. يتعلق الاستقطاب بالاتجاه الذي تهتز فيه المجالات الكهرومغناطيسية. وهذا بدوره يمكن أن يكون له تأثير على إمكانية ملاحظة الضوء الطيفي. على سبيل المثال، غالباً ما تكون النظارات الشمسية المستقطبة فعّالة في قمع الوهج المحيط لأنّ الضوء المنعكس من الأسطح له استقطاب معين والنظارات الشمسية المستقطبة مصممة لعدم تمرير هذا الاستقطاب للضوء.

أحد الأمثلة العملية في علم الفلك لتأثيرات الاستقطاب هذه هو أنّه يكون الانتقال الأوسط مستقطباً بحيث لا يمكن تجنبه بسهولة من فوق سطح متعامد مع المجال المغناطيسي. نتيجة لذلك، عند النظر مباشرة لأسفل على بقعة شمسية “التي تحتوي على حقول مغناطيسية قوية”.

عادةً ما يمكن رؤية اثنين فقط من التحولات الثلاثة ويلاحظ أنّ الخط ينقسم إلى سطرين بدلاً من ثلاثة خطوط “يمكن ملاحظة الانتقال المفقود من زاوية مختلفة حيث لا يتم قمع ضوئها بواسطة تأثير الاستقطاب، ولكنّه ضعيف جداً عند ملاحظته من أعلى مباشرة”.