Сначала кратко рассмотрим моменты импульса электронов и атомов, определяемые по классической электронной теории. Итак:
1. Электрон, двигаясь по орбите вокруг ядра, обладает механическим орбитальным моментом импульса , где m, v – масса и скорость электрона. При этом вектор перпендикулярен орбите электрона.
2. Движение электрона по орбите соответствует протеканию некоторого орбитального тока, который определяет магнитный орбитальный момент, , где I – электронный ток, S – площадь витка тока (орбиты электрона). Определим : , , здесь е – заряд электрона, T – период обращения электрона по орбите. Тогда . Следует учесть, что также перпендикулярен орбите электрона, но вектора и направлены в противоположные стороны. Механический и магнитный орбитальные моменты электрона связаны выражением
Здесь – это гиромагнитное (магнито – механическое) отношение орбитальных моментов электрона.
3. Орбитальный механический момент импульса атома равен геометрической (векторной) сумме орбитальных моментов всех электронов атома:, Z – число электронов.
4. Орбитальный магнитный момент импульса атома равен геометрической (векторной) сумме магнитных моментов всех электронов атома:. Очевидно, что сохраняется соотношение
Теперь рассмотрим электронные и атомные моменты с точки зрения квантовой механики. Хронологически первыми экспериментами по изучению магнитных моментов атома, проявляющимися в магнитных полях, были опыты П. Зеемана (1896 г). Было обнаружено, что если поместить источник света (электромагнитного излучения) между полюсами электромагнита, то спектральные линии источника расщепляются на несколько компонент. Явление расщепления спектральных линий, а следовательно и энергетических уровней, переходы между которыми обеспечивают излучение, во внешнем магнитном поле получило название эффекта Зеемана. Различают нормальный и аномальный эффекты Зеемана.
Нормальный эффект Зеемана наблюдается в сильных магнитных полях.
При помещении источника излучения с частотой ν0 (λ0) в магнитное поле, направленное параллельно направлению распространения излучения, наблюдается излучение с двумя симметричными относительно начальной ν0 частотами: ν-1 и ν+1. Излучения с начальной частотой ν0 при этом не происходит:.
Если исследуемое излучение распространяется перпендикулярно вектору магнитного поля, то излучение с ν0 симметрично расщепляется на три компоненты: ν-1 , ν0 и ν+1.
Нормальный эффект Зеемана был объяснен Лоренцем по классической электронной теории. Во внешнем магнитном поле векторы и электрона в атоме вращаются (прецессируют) с угловой скоростью , которой соответствует частота . Здесь – напряженность внешнего магнитного поля связанна с вектором магнитной индукции соотношением . При этом векторы и описывают соосные конические поверхности с общей вершиной в центре орбиты и остью, параллельной вектору . Такое движение векторов и моментов электрона и соответствующей электронной орбиты в атоме во внешнем магнитном поле называется прецессией Лармора.
Разность частот между спектральными линиями при нормальном эффекте Зеемана оказалась равной как раз Ларморовой частоте Δν = ν+1.– ν0 = ν0 – ν-1 = .
Величина называется магнетоном Бора и обозначается , тогда можно записать, чтоΔν = . ............
