Physik

Der Zeeman-Effekt, der hilft, das Magnetfeld der Sonne zu messen

Der Zeeman-Effekt, der hilft, das Magnetfeld der Sonne zu messen

In den späten 1800er Jahren verbrannte ein Wissenschaftler namens Pieter Zeeman in seinem Labor Natrium, als er eine Entdeckung machte, die sich für den Rest der Geschichte auf dem Gebiet der Elektromagnetik ausbreiten würde.

Während Zeeman Natrium auf einem Bunsenbrenner verbrannte, beobachtete er die hellen D-Linien, die dieses Element aussendet - im Wesentlichen nur das Spektrum der Lichtstrahlen, ähnlich denen, die von der Sonne kommen. Er beschloss, das brennende Natrium einem Magnetfeld auszusetzen und stellte fest, dass sich die Linien verbreiterten und veränderten.

Zeeman hatte entdeckt, dass Licht durch elektromagnetische Kräfte beeinflusst werden kann. Dies würde später als Zeeman-Effekt bekannt sein. Um die Beiträge von Pieter Zeeman auf dem Gebiet der Physik zu verstehen und zu verstehen, was genau der Zeeman-Effekt ist, wollen wir näher darauf eingehen.

Was ist der Zeeman-Effekt?

Der einfach erklärte Zeeman-Effekt ist die Aufteilung einer Spektrallinie durch den Einfluss eines Magnetfeldes. Die Spektrallinien beim Verbrennen von Natrium lagen wie bei dem ursprünglichen Experiment von Zeeman etwas unter 600 nm. In diesem Anwendungsfall würden die Linien aufgrund der Unterwerfung unter ein statisches Magnetfeld geteilt, wodurch zusätzlich zum Original eine mehr und weniger energetische Linie erzeugt wird.

Was genau diese Wechselwirkung verursacht, ist, dass das statische Magnetfeld im Licht ein Drehmoment auf die Quantenteilchen ausübt, das den Drehimpuls dieser Teilchen beeinflusst.

Um dies auf einer noch technischeren Ebene zu verstehen, weist das p-Orbital, ein Begriff, der zur Beschreibung der wahrscheinlichen Orte verwendet wird, an denen ein Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt gefunden werden kann, drei potenzielle Quantenzustände auf, in die es ohne Energieverlust ausarten kann. Wie bereits erwähnt, erzeugt das Unterwerfen von Lichtlinien einem statischen Magnetfeld drei verschiedene Energieniveaus: niedrig, ursprünglich und hoch.

Jedem Quantenzustand des p-Orbitals ist auch ein magnetischer Dipol zugeordnet. Wenn das Magnetfeld mit den Quantenzuständen in Kontakt kommt, werden diese in drei verschiedene Energieniveaus unterteilt.

Einer der Zustände erhöht die Energie der Linie, einer senkt die Energie und der andere bleibt bei derselben Energie. Wenn diese Quantenzustände Energien trennen und ändern, erzeugen sie drei verschiedene Spektrallinien mit leicht unterschiedlicher Energie.

Immer noch nicht wirklich folgen? Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dies der einfachste Fall des Zeeman-Effekts ist, der auch als normaler Zeeman-Effekt bezeichnet wird.

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Wenn wir für eine Sekunde in die Realität zurückkehren, können wir verstehen, dass der Zeeman-Effekt die Aufteilung von Lichtwellen in verschiedene Energien ist, basierend auf den Kräften eines statischen Magnetfelds. Wie ist das nützlich?

Dies ist nützlich in Bereichen, in denen Magnetfeldstärken gemessen werden müssen.

Der Zeeman-Effekt korreliert die Wellenlängen der Lichtwellen mit der Kraft des Magnetfelds, das sie verursacht hat. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler mit einigen nicht so einfachen Berechnungen die Größe des ursprünglichen Magnetfelds, das den Zeeman-Effekt verursacht hat, zurückrechnen und bestimmen können.

Die Spektrallinien der Quecksilberdampflampe bei einer Wellenlänge von 546,1 nm zeigen im Bild unten einen anomalen Zeeman-Effekt.
A. Ohne Magnetfeld
B. Bei einem Magnetfeld teilen sich die Spektrallinien als transversaler Zeeman-Effekt
C. Mit einem Magnetfeld als Zeeman-Längseffekt aufteilen

Dies ist besonders nützlich bei der Beobachtung und Überwachung des Magnetfelds der Sonne und anderer Plasmakörper. Dies kommt auch bei verschiedenen Formen der Spektroskopie zum Tragen und wird sogar in der MRT eingesetzt. Es besteht auch die Möglichkeit, dass Vögel den Zeeman-Effekt nutzen, um die sich ändernden Magnetfelder genauer zu überwachen.

Nachdem ich mein Bestes getan habe, um den Zeeman-Effekt und seine Verwendung zu erklären, kehren wir zu seiner Entdeckung zurück und schauen uns an, was dieses wissenschaftliche Prinzip bewirkt hat.

Wie wurde der Zeeman-Effekt entdeckt?

Im 19. Jahrhundert begannen Wissenschaftler erstmals, den Code und die Verbindungen zwischen Elektrizität, Licht und Magnetismus zu knacken. Einer der besten Wissenschaftler, die zu dieser Zeit daran arbeiteten, war ein Mann namens Hendrik Lorentz. Lorentz würde weiterhin eine entscheidende Rolle bei der Entdeckung des Zeeman-Effekts spielen, aber er leitete insbesondere auch die Transformationsgleichungen von Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie ab.

Lorentz hatte herausgefunden, dass Substanzen Licht mit unterschiedlichen festen Wellenlängen emittieren und absorbieren. Im Wesentlichen hat jede existierende Substanz ein anderes charakteristisches Lichtspektrum, das sie emittiert.

1986 untersuchte Pieter Zeeman, wie Licht durch Magnetfelder beeinflusst wird. In einem seiner Experimente mit der Verbrennung von Natrium als Lichtquelle stellte er fest, dass sich die Linien im Lichtspektrum in mehrere Linien aufgeteilt hatten, nachdem sie einem Magnetfeld ausgesetzt worden waren.

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Zeeman war in diesem Fall der Experimentator und damit der erste, der den Effekt beobachtete und notierte. Lorentz war zu dieser Zeit Zeemans Mentor und während der Zusammenarbeit erkannten sie, dass die Änderungen in den Lichtlinien durch die von Lorentz formulierte Elektronentheorie erklärt werden konnten.

Anstatt zu versuchen, die Elektronentheorie selbst zu erklären und sie wahrscheinlich zu verpfuschen, werde ich Lorentz sie in seiner 1902 gehaltenen Dankesrede zum Nobelpreis selbst erklären lassen.

"Als Prof. Zeeman seine Entdeckung machte, die Elektronentheorie war in seinen Hauptmerkmalen vollständig und in der Lage, das neue Phänomen zu interpretieren. Ein Mann, der die ganze Welt mit Elektronen bevölkert und sie mit Licht kovibrieren lässt, wird nicht skrupeln, anzunehmen, dass es auch Elektronen sind, die in den Teilchen einer glühenden Substanz schwingen und die Emission von Licht bewirken. Ein oszillierendes Elektron bildet sozusagen einen winzigen Hertzschen Vibrator; Seine Wirkung auf den umgebenden Äther entspricht in etwa der Wirkung, die wir haben, wenn wir das Ende einer gespannten Schnur ergreifen und die bekannten Bewegungswellen im Seil aufbauen, indem wir es hin und her bewegen. Was die Kraft betrifft, die eine Änderung der Schwingungen in einem Magnetfeld verursacht, so ist dies im Grunde die Kraft, deren Manifestationen zuerst von Oersted beobachtet wurden, als er die Wirkung eines Stroms auf eine Kompassnadel entdeckte. "

Wenn Sie es noch nicht aufgegriffen haben, haben Lorentz und Zeeman 1902 den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung der Zeeman-Theorie erhalten.

Bis heute hilft der Zeeman-Effekt den Physikern, das Energieniveau in Atomen und ihren Drehimpuls zu bestimmen. Es ist eine großartige Möglichkeit, Kern- und andere Magnetresonanzen zu untersuchen. Schließlich wird es verwendet, um die Magnetfelder von Sternen zu messen.

Obwohl all diese Felder wahrscheinlich zu komplex sind, als dass wir sie vollständig verstehen könnten, können wir zugeben, dass der Zeeman-Effekt unser Verständnis der Magnet-Licht-Wechselwirkung für immer verändert hat.


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