< Spettroscopia dell'idrogeno: i doppietti | IntroduzioneFisicaMateria.Indice | Struttura fine, correzioni relativistiche, spin-orbita, Darwin, Lamb shift >
Cronologicamente il primo esperimento che rivela lo spin è quello di Pieter Zeeman, che nel 1896 misura lo spettro della luce emessa da una lampada contenente un gas atomico in presenza di un campo magnetico. L'effetto misurato si distingue in normale ed anomalo, seconda della specie atomica. Gli atomi con shell piene o semipiene rientrano nel primo caso, che si spiega classicamente. Viceversa negli altri casi la spiegazione sfugge al modello classico dell'atomo e venne data solo dopo l'ipotesi dello spin elettronico, formulata da Uhlembeck e Goudsmit nel 1925.
Due anni prima Stern e Gerlach avevano già condotto un esperimento che evidenziava lo spin elettronico, con il primo esperimento basato su fasci atomici neutri, precursore di una tecnica di grande impatto nella fisica moderna. Questo esperimento può essere spiegato molto semplicemente nei termini dello spin elettronico, anche se gli atomi di Ag, utilizzati allora, richiedono una comprensione elementare del ruolo dello spin in atomi a molti elettroni, non del tutto evidente all'epoca. Per questo il riconoscimento esplicito dell'esistenza dello spin elettronico richiese il modello proposto da Uhlembeck e Goudsmit per la descrizione degli spettri atomici.
Per ora ci limiteremo alla spiegazione dell'esperimento di Stern e Gerlach, dell'effetto Zeeman normale e ad una descrizione sommaria di quello anomalo, rimandandone la giustificazione. completa alle ultime pagine.
Effetto Zeeman normale
|
Attach:ZeemanBzkynxy.png Δ
Figura 1 Campo perpendicolare a {$\mathbf k$}, nel piano delle orbite e relativo spettro
|
L'atomo classico corrisponde ad orbite elettroniche occupate da coppie di elettroni controrotanti. Il campo magnetico ha effetti diversi su questi elettroni, a seconda della sua orientazione rispetto al piano dell'orbita e alla direzione di emissione della luca (del suo vettore di Pointing). Se ad esempio il campo è perpendicolare al raggio emesso e giace piano dell'orbita non ha effetto su di essa. La spettroscopia mostrerà quindi la frequenza {$\nu_0$} caratteristica dello spettro atomico, polarizzata linearmente lungo il campo magnetico: è la somma delle ampiezze emesse da entrambi gli elettroni, polarizzate circolarmente nei due versi opposti. Infatti, siccome la loro frequenza è la medesima, i campi elettrici controrotanti si sommano in una pulsazione lungo {$\hat z$}.
Per contrasto la frequenza delle orbite perpendicolari al campo vengono rispettivamente aumentate e ridotte per effetto diamagnetico classico di una quantità pari alla frequenza di ciclotrone {$\Delta\nu=eB/2m$}. La luce è polarizzata linearmente perpendicolarmente al campo. In definitiva il campo magnetico lungo {$\hat z$} nelle figure produce uno spettro in direzione {$\hat y$} con tre componenti, una centrale alla frequenza {$\nu_0$} e due alle frequenze {$\nu_0\pm \Delta\nu$}, tutte e tre polarizzate linearmente, quella centrale lungo {$\hat z$} e i due satelliti laterali lungo {$\hat x$}.
|
Attach:ZeemanBzkynz.png Δ
Figura 2 Campo perpendicolare a {$\mathbf k$} ed al piano delle orbite e relativo spettro
|
|
Attach:ZeemanBykyny.png Δ
Figura 3 Campo parallelo sia a {$\mathbf k$}, sia al piano delle orbite e relativo spettro
|
Nelle figure 3 e 4 il campo magnetico giace lungo il vettore di Pointing. La figura 3 mostra le orbite con normale parallela al campo, che subiscono riduzione e aumento della frequenza per effetto diamagnetico classico, dando luogo ai satelliti spettrali. Questi due contributi sono polarizzati circolarmente nel verso delle relative orbite.
Viceversa la figura 4 mostra la luce emessa dalle orbite con normale lungo {$\hat z$} o {$\hat x$} alla frequenza centrale. Le due direzioni della normale coincidono con quelle di polarizzazione lineare e la loro combinazione dà luce non polarizzata.
In definitiva il campo magnetico lungo {$\hat y$} produce uno spettro simile al precedente ma con componente centrale non polarizzata e satelliti polarizzati circolarmente in versi opposti.
|
Attach:ZeemanBykynxz.png Δ
Figura 4 Campo parallelo a {$\mathbf k$}, perpendicolare al piano delle orbite e relativo spettro
|
Effetto Zeeman anomalo
Esperimento di Stern e Gerlach
< Spettroscopia dell'idrogeno: i doppietti | IntroduzioneFisicaMateria.Indice | Struttura fine, correzioni relativistiche, spin-orbita, Darwin, Lamb shift >
