§ 3.5 Эффекты Зеемана, Штарка и грависмещение частоты
§ 3.5 Эффекты Зеемана, Штарка и грависмещение частоты
Данная модель молекулярного поля H0 не только пригодна в значительно большей степени, чем лоренцевская гипотеза, … для представления явлений эффекта Зеемана в их большом многообразии и с их характеристическими признаками, … но также оправдывается при объяснении сериальных законов — проблемы, которой теория Лоренца совершенно не касалась.
Вальтер Ритц, "Магнитные атомные поля и сериальные спектры" [9, 50]
Как мы видели, Ритц на основе своей модели легко объяснил эффект Зеемана (§ 3.1), показав, что внешнее магнитное поле Вм, налагаясь на магнитное поле атома В, меняет его величину и, соответственно, частоту вращения электрона в этом поле (Рис. 94). Это приводит к тому, что вместо одной линии возникает несколько близких линий (расщепление линий). Обычно возникает три линии, — триплет. Центральная линия создаётся электронами, находящимися в исходном внутриатомном магнитном поле В: внешнее поле Bм на них либо совсем не влияет, либо налагается перпендикулярно основному полю В и, будучи много меньше его, почти не меняет частоты вращения электрона, остающейся прежней f=eB/2?M. Для других электронов, расположенных в других плоскостях атомной пирамиды (Рис. 107) или в других атомах, ориентация поля В оказывается противоположной внешнему полю Bм. Поэтому, они генерируют на частоте f=e(B-Bм)/2?M. Наконец, у третьего типа электронов поля сложатся, а, потому, такие электроны вращаются и генерируют свет с частотой f=e(B+Bм)/2?M. Это и приводит к тому, что рядом с центральной линией на частоте f=eB/2?M появляются две соседние, сдвинутые вправо и влево на ?f=eBм/2?M. То, каким образом для одних электронов поля B и Bм суммируются, а для других вычитаются, легко понять из бипирамидальной модели. Генерирующие спектр электроны сидят на разных гранях и перегородках этих пирамид, причём, внутриатомное поле B, как выяснили (§ 3.1, § 3.2), всегда перпендикулярно плоскости этих граней. В магнитном поле атомы располагаются упорядоченно, ориентируя общее магнитное атомное поле вдоль внешнего поля. При этом, одни грани оказываются перпендикулярны внешнему полю Bм, а для других оно лежит в плоскости граней атома. Соответственно, для электронов, расположенных в одних плоскостях, внешнее поле, складываясь или вычитаясь из внутриатомного, изменит частоту колебаний, а у электронов, расположенных и колеблющихся в той же плоскости, что и внешнее поле Bм, частота колебаний не изменится. Это же объясняет различную поляризацию смещённых и несмещённых линий: генерирующие их электроны колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях, а, значит, в разных плоскостях колеблется создаваемое ими переменное электрическое поле, соответственно, по-разному поляризовано и их излучение.
Объяснил Ритц и аномальный эффект Зеемана, состоящий в том, что каждая из расщеплённых линий, в свою очередь, расщепляется под действием внешнего поля. Это связано с тем, что атом прецессирует, поворачивается во внешнем поле. Действительно, в отличие от уединённого электрона, магнитный момент которого не может установиться во внешнем поле сонаправленно полю, а начинает прецессировать за счёт гироскопического эффекта, структура, образованная из многих магнитиков, вращающихся электронов, сразу ориентируется вдоль внешнего магнитного поля, как видно на примере обычных магнитов, — комплексов из элементарных круговых токов. Однако гироскопический эффект, всё же, сказывается и здесь, поэтому магнитный момент атома несколько отклоняется от оси внешнего магнитного поля и начинает прецессировать вокруг неё. Частота этой прецессии, как показал Ритц, опять же, складывается с частотой вращения электрона в магнитном поле или вычитается из неё, что и приводит к появлению вторичного расщепления линий. Возможны и более сложные случаи расщепления линий, особенно в многоэлектронных атомах, которые за счёт наличия многих электронов, располагающихся в атоме различным образом и также обладающих магнитным моментом, ведут к тому, что атом может располагаться несколькими способами по отношению к внешнему полю Bм. Кроме того, если это магнитное поле Bм достаточно велико, оно способно менять внутриатомное поле B не только путём наложения, но и посредством изменения направлений магнитных моментов частиц, генерирующих поле B, упорядочивая их и упрощая картину расщепления линий. Такой эффект в мощных магнитных полях, сопоставимых с внутриатомными, и впрямь наблюдается и называется "эффектом Пашена-Бака" [134]. Как видим, все особенности эффекта Зеемана следуют из модели Ритца.
Кроме эффекта Зеемана, приводящего к расщеплению линий в магнитных полях, известен и эффект Штарка, ведущий к смещению и расщеплению линий под действием сильного электрического поля [82, 134]. В эффекте Штарка обычно тоже возникает мультиплетный спектр: каждая спектральная линия расщепляется на несколько близких. Причина этого в следующем. Атом, за счёт собственного дипольного момента, ориентируется внешним электрическим полем. Причём, ориентироваться он может по-разному, в зависимости от того, как в атомной бипирамиде направлен дипольный момент, заданный разными вариантами положений электронов в атоме. Число возможных ориентаций атома в поле ограничено конечным числом позиций электронов в атоме. Потому, и составляющая поля, действующая на электрон, генерирующий спектр, и смещающая его от положения равновесия, — меняется дискретно.
Таким образом, снова каждая линия расщепится на несколько отдельных. Причём, как в эффекте Зеемана, для части электронов внешнее электрическое поле оказывается направлено перпендикулярно грани, на которой сидит и колеблется электрон, генерирующий спектр. Поэтому поле не смещает этот электрон от положения равновесия, и он даёт несмещённую линию. А для других электронов, возможно, того же атома, но — сидящих на других гранях, поле направлено вдоль плоскости, в которой смещается и колеблется электрон. Соответственно, внешнее поле смещает его от положения равновесия (атом поляризуется), электрон оказывается в магнитном поле иной величины и генерирует на смещённой частоте. Поскольку смещённые и несмещённые электроны колеблются в разных плоскостях, излучаемые ими смещённые и несмещённые линии имеют разную поляризацию. Кроме того, если электрические поля очень сильные, возможно смещение и расщепление линий и за счёт искажения, электрической поляризации самой электрон-позитронной кристаллической решётки атома, где электроны и позитроны смещаются под действием поля в противоположных направлениях. В эффекте Зеемана атом тоже принимал в магнитном поле разные положения, однако магнитное поле меняло частоту колебаний электрона не от смещения его из положения равновесия, а от добавки или вычета внешнего магнитного поля из внутриатомного. Вот почему, расщепление линий магнитным полем гораздо сильнее, чем электрическим.
Ещё слабее сдвиг спектральных линий гравитационным полем, наблюдаемый, возможно, в спектре Солнца и в эффекте Мёссбауэра. Воздействие гравитации, во-первых, сдвигает электроны и протоны, генерирующие спектр, от равновесных положений, тем самым меняя величину атомного магнитного поля, в котором они колеблются, и частоту их колебаний. Во-вторых, неоднородное гравитационное поле создаёт дополнительную растягивающую силу, аналогичную приливной силе со стороны Луны. Действуя на заряд, эта сила расширяет, растягивает его орбиту, уменьшая частоту вращения, что и проявляется в смещении длин волн и частот спектральных линий атома и ядра. Возможно, это смещение частоты колебаний зарядов в атомах и воспринимают в качестве мнимого изменения темпа течения времени в поле тяготения (§ 1.18). Стоит отметить, что влияние гравитации будет одинаково сказываться как на сдвиге частот атомных спектров (атомные часы), так и на сдвиге частот ядерных спектров (эффект Мёссбауэра), ввиду того, что эти спектры, как увидим, генерирует единый механизм (§ 3.7). Тогда понятно, почему и с помощью эффекта Мёссбауэра, и с помощью атомных часов обнаруживают одинаковые изменения "темпа течения времени", а реально, — лишь частоты колебаний в гравитационном поле.
Таким образом, гипотеза Ритца о природе эффекта Зеемана позволяет объяснить не только все особенности этого эффекта, но также и эффект Штарка, и гравитационное смещение частоты, доказывая их общую природу и универсальность магнитной модели атома Ритца. Сторонники модели атома Бора обычно утверждают, что эффект Штарка объясним лишь по квантовой теории. На деле же, именно классическая теория атома Томсона-Ритца даёт наиболее простое и естественное объяснение эффекту. Да и предсказан был эффект Штарка учителем Ритца, В. Фойгтом (специалистом по физике кристаллов [50, 156]), — как раз в рамках классической модели атома, структура которого, подобно кристаллам, возмущается внешним полем, меняющим свойства атомов и частоты колебаний его электронов. Наконец, и сам Штарк, открыв в 1913 г. одноимённый эффект, утверждал на основе экспериментальных данных, что теория атома Бора ошибочна и что эффект имеет классическую трактовку. Именно Штарк, изучив интенсивности расщеплённых спектральных линий атомов, движущихся под разными углами, связал расщепление с разной поляризацией атомов в электрическом поле — от смещения в них электронов, в зависимости от атомной структуры ("Нобелевские лекции по физике. 1901–1921 гг.", М.: УФН, 2002). При этом, Штарк придерживался модели атома Томсона, близкой к магнитной модели Ритца, и он же построил теорию ковалентной связи, сопоставив валентность атома с числом электронов на его внешней оболочке. Выходит, статическая модель атома Томсона-Ритца классически объясняла эффект Штарка, тогда как динамическая планетарная — не объясняла. Но, вместо того, чтобы принять статическую модель и отвергнуть планетарную, теоретики, во главе с Бором, просто подогнали последнюю, дополнив абсурдными квантовыми постулатами и отвергнув классическую механику, которую и сочли виновницей своего непонимания эффекта Штарка. Реальная же причина расщепления и сдвига линий, как давно поняли физики-классики, состоит в смещении зарядов, генерирующих спектр, от узловых положений под влиянием внешних полей и полей других зарядов атома, что сказывается не только на атомных, но и на ядерных спектрах. Это влияние, выявленное с помощью того же эффекта Мёссбауэра, ещё раз подтвердило глубокую связь строения молекул, атомов и электронных оболочек в них — со строением ядер и ядерными спектрами [135].