4. Solución problemas campos magnéticos

  1. ¿Cuál debe ser la intensidad de campo magnético \(B\) necesaria para poder observar el efecto Zeeman normal si se dispone de un espectrómetro que puede distinguir líneas espectrales separadas \(0.5Å\) para \(\lambda = 5000Å\)?
  2. Recodemos la fórmula del efecto Zeeman \(E = E_0 + m \mu_B B\) con \(\mu_B = 5.79 \times 10^{- 11} \rm{MeV} / \text{T}\), \(m\) la tercera componente del momento angular orbital y \(E_0\) la energía del electrón en ausencia de campo magnético. En caso de una transición tendremos \(\Delta E = \Delta E_0 + (\Delta m) \mu_B B\) y por la regla de selección de transiciones dipolares eléctricas \(| \Delta \ell | = 1\) y \(| \Delta m | \leqslant 1\), con lo que aparecen tres lineas, una con la misma energía que el campo apagado y otras dos simétricas por encima y debajo de ésta. En términos de la frecuencia de los fotones emitidos tenemos \(\nu = \nu_0 + \Delta \nu\) con \(h \nu_0 = \Delta E_0\) y \(h \delta \nu = \mu_B B\) y además \(\nu \gg \delta \nu\). Dado que \(\lambda \nu = c\) tenemos que \begin{equation}\delta \lambda = \frac{c \delta \nu}{\nu^2} = \frac{\lambda^2 \delta \nu}{c} = \frac{\lambda^2 \mu_B B}{h c} . \label{eq:Zeeman} \end{equation} Podemos despejar el campo magnético, y usamos que \(\hbar c = 197.3 \rm{MeV} \cdot\rm{fm}\) y como \(1 \rm{fm} = 10^{- 15}\)m y  \(1Å= 10^{- 10}\)m tenemos \(1 \rm{fm}= 10^{- 5} Å\) con lo que \(h c = 1.23984 \times 10^{- 2} {\rm MeV} \cdotÅ\) \begin{equation}B \geqslant \frac{h c \delta \lambda}{\lambda^2 \mu_B} = \frac{1.23984 \times 10^{- 2} \times 0.5}{5000^2 \times 5.79 \times 10^{- 11}} \text{T} = 4.28269 \text{T} . \end{equation}

  3. En un experimento de efecto Zeeman normal la línea de \(\lambda = 4226Å\) del calcio se desdobla en tres componentes separadas \(\delta \lambda = 0.25Å\) en un campo magnético de \(3\)T. A partir de estos datos, determinar la razón \(e / m_e\) del electrón.
  4. Del los datos podemos calcular la constante \(\mu_B\) despejando de la ecuación (1): \begin{equation}\mu_B = \frac{h c \delta \lambda}{\lambda^2 B} = \frac{1.23984 \times 10^{- 2} \times 0.25}{4226^2 \times 3} {\rm MeV} / \text{T} = 5.78529 \times 10^{- 11} {\rm MeV} / \text{T},\end{equation} en perfecto acuerdo con el valor estándar. De la ley de Lorentz \(F \sim q B v\) tenemos que \begin{equation}\frac{{\rm Kg}\, m}{s^2} = C \text{T} \frac{m}{s} \longrightarrow \text{T} = \frac{{\rm Kg}}{C s} .\end{equation} Usando \(\mu_B = e \hbar / (2 m_e)\) y \(c = 3 \times 10^{23}\)fm/s tenemos \begin{equation}\frac{e}{m_e} = \frac{2 \mu_B c}{\hbar c} = \frac{2 \times 5.78529 \times 10^{- 11} \times 3 \times 10^{23} }{197.33} C / {\rm Kg} = 1.75907 \times 10^{11} C / {\rm Kg} . \end{equation}

  5. Determinar el desdoblamiento Zeeman normal \(\delta \lambda\) de la línea de \(\lambda = 4916Å\) del Hg cuando está sometido a un campo magnético de \(0.3 \hspace{0.17em}\)T.
  6. Una vez más usamos la ecuación (1): \begin{equation}\delta \lambda = \frac{\lambda^2 \mu_B B}{h c} = \frac{4916^2 \times 3 \times 5.79 \times 10^{- 11}}{1.23984 \times 10^{- 2}} Å= 0.339Å.\end{equation}

  7. Una línea de \(5000Å\) presenta un desdoblamiento Zeeman normal de \(1.1 \times 10^{- 3} Å\). Determinar el campo magnético.
  8. \begin{equation} B = \frac{h c \delta \lambda}{\lambda^2 \mu_B} = \frac{1.23984 \times 10^{- 2} \times 1.1 \times 10^{- 3}}{5000^2 \times 5.79 \times 10^{- 11}} \text{T} = 9.42 \rm{mT} . \end{equation}

  9. La línea de \(21 \hspace{0.17em}\)cm del Hidrógeno se usa en astronomía para estudiar la galaxia. Esta línea se produce cuando el electrón del H cambia su alineación respecto al espín del protón (de paralelo a antiparalelo). Cuál es el campo magnético al que está sometido el electrón?
  10. Esta línea se produce por la estructura hiperfina del átomo de hidrógeno causada por el acoplamiento de los espines del electrón y el protón. Se puede entender como el efecto Zeeman causado por el campo magnético que crea el protón, y por tanto la energía de un fotón radiado por la transición entre las dos polarizaciones del electrón es \(E = h \nu = \mu_B g_s B\), con \(g_s \simeq 2\), con lo que, tendiendo en cuenta que \(21 {\rm{cm}} = 2.1 \times 10^9 Å\), tenemos que \begin{equation}B = \frac{h c}{2 \mu_B \lambda} = \frac{1.23984 \times 10^{- 2}}{2 \times 5.78529 \times 10^{- 11} \times 2.1 \times 10^9} \text{T} = 0.051026 \text{T},\end{equation} en donde tratamos el campo magnético nuclear como uno clásico y externo.

  11. Estimar la intensidad del campo magnético producido por el movimiento orbital del electrón que da lugar a la separación del doblete D del sodio, cuyas longitudes de onda son \(5889.95 \hspace{0.17em} Å\) y \(5895.92 \hspace{0.17em} Å\).
  12. La distancia entre líneas es \(\delta \lambda = 5.97 Å\) y el promedio \(\lambda = 5892.93 Å\). Esta separación tiene lugar por el acoplamiento espín-órbita, proporcional a \(\vec{L} \cdot \vec{S}\), con \(\vec{L}\) y \(\vec{S}\) los operadores de momento angular orbital e intrínseco, respectivamente. En esta aproximación trataremos el momento magnético producido por la órbita como un campo externo clásico, de modo que podemos usar las fórmulas aprendidas hasta ahora modificando por el factor \(g_s\)

    \begin{equation}B \simeq \frac{h c \delta \lambda}{g_s \lambda^2 \mu_B} = \frac{1.23984 \times 10^{- 2} \times 5.97}{2 \times 5892.93^2 \times 5.79 \times 10^{- 11}} \text{T} = 18.4064 \text{T} .\end{equation} Vemos que el campo es mucho más intenso que para la línea del hidrógeno.

  13. a) ¿Cuál es la diferencia en energía entre los estados del electrón correspondientes a las dos posibles orientaciones del espín cuando está sometido a un campo magnético de \(0.5 \hspace{0.17em}\)T? b) ¿Cuál es la longitud de onda del fotón que cause el cambio de orientación del espín en el apartado a)?
  14. La diferencia de energía es \begin{equation}\Delta E = \mu_B g_s B = 2 \times 0.5 \times 5.79 \times 10^{- 11} {\rm MeV} = 5.79 \times 10^{- 11} {\rm MeV} .\end{equation} La longitud de onda correspondiente es \begin{equation}\lambda = \frac{c}{\nu} = \frac{h c}{\Delta E} = \frac{1.23984 \times 10^{- 2}}{5.79 \times 10^{- 11}} Å= 2.14135 \times 10^8 Å= 2.14 {\rm cm} .\end{equation}

  15. Determinar las líneas resultantes de la transición \(2 p \rightarrow 1 s\) en H (\(\lambda = 1210Å\)) cuando se somete a un campo magnético externo de \(5 \hspace{0.17em}\)T. (Despreciar la interacción espín-órbita).
  16. En primer lugar calculamos la energías debida a la transición entre los estados con \(n = 1, 2\) en ausencia de campo magnético, usando la fórmula de Rydberg, y con \(R_H = 1.0967758 \times 10^{- 3} Å^{- 1}\) tenemos \begin{equation}\frac{1}{\lambda} = R_H \left( 1 - \frac{1}{4} \right) = \frac{3 R_H}{4} \longrightarrow \lambda = \frac{4}{3 R_H} = \frac{4Å}{3 \times 1.0967758 \times 10^{- 3}} = 1215.68Å,\end{equation} que es parecida a la que da el enunciado. En segundo lugar, sabemos que la notación espectroscópica implica \(s \rightarrow \ell = 0\) y por tanto \(m = 0\); y \(p \rightarrow \ell = 1\), con lo que \(m = 0, \pm 1\). Como la regla de selección para transiciones dipolares eléctricas implica \(| \Delta \ell | = 1\) y \(| \Delta m | \leqslant 1\) podemos tener tres líneas, con \(\Delta m = 0, \pm 1\), la primera idéntica al caso de \(B = 0\). La separación entre las tres es de \begin{equation}\delta \lambda = \frac{\lambda^2 \mu_B B}{h c} = \frac{1210^2 \times 5 \times 5.79 \times 10^{- 11}}{1.23984 \times 10^{- 2}} Å= 0.0341864Å.\end{equation}

  17. Calcular el desdoblamiento Zeeman de los estados \(^2 P_{1 / 2}\) y \(^2 \mathrm{S}_{1 / 2}\) del Na en un campo magnético de \(2 \hspace{0.17em}\)T.
  18. El estado \(^2 S_{1 / 2}\) tiene \(\ell = m = 0\) y por tanto no sufre desdoblamiento por momento angular orbital, aunque sí por el de espín. Sus niveles energéticos se desplazan arriba y abajo de la energía con \(B = 0\) \begin{equation}\Delta E_s = \frac{g_s \mu_B B}{2} = \mu_B B = 2 \times 5.79 \times 10^{- 5} {\rm eV} = 0.1158 {\rm MeV},\end{equation} y el desdoblamiento es \(E^s_{\pm} = E_{2 s} \pm \Delta E_s\). El estado \(^2 P_{1 / 2}\) tiene \(\ell = 1\) y \(m = 0, \pm 1\) con lo que puede tener un desplazamiento debido al momento angular orbital \(\Delta E_{\ell} = \mu_B B = \Delta E_s\). Los posibles estados desdoblados son cinco, según se orienten las terceras componentes \(m\) y \(s_z\): \(E_{2 p} \pm \Delta E_s\) (\(\ell = 0\) y \(s_z = \pm 1 / 2\)), \(E_{2 p} \pm 2 \Delta E_s\) (\(\ell = \pm 1\) y \(s_z = \pm 1 / 2\)) y por supuesto \(E_{2 p}\) (\(\ell = \pm 1\) y \(s_z = \mp 1 / 2\)), que es igual al caso con \(B = 0\).