Chiedi a Ethan: in che modo i campi magnetici dividono i livelli di energia?

Una delle cose più straordinarie della fisica è quanto sia universale. Se prendiamo la stessa specie di nucleo atomico – con un numero fisso di protoni e neutroni – allora ci sarà solo un insieme fisso di livelli energetici che gli elettroni in orbita attorno a quel nucleo possono occupare. Quando gli elettroni passano tra i vari livelli energetici, emettono (mentre scendono a livelli energetici più bassi) e assorbono (mentre salgono a livelli energetici più alti) fotoni di una lunghezza d'onda ed energia molto specifica: solo quelle lunghezze d'onda ed energie consentite dalle regole. della meccanica quantistica. I valori di questi livelli energetici sono universali: gli stessi per tutti gli atomi della stessa specie ovunque e in ogni momento in tutto l'Universo.

Fino a quando non si applica un campo elettrico o magnetico esterno. All'improvviso, questi livelli energetici si dividono e assumono una grande varietà di valori, con l'entità della scissione che dipende interamente dalla forza del campo applicato. Ma come è possibile? Questo è ciò che Jon Coal vuole sapere, chiedendo:

"Ehi, hai mai scritto un pezzo sull'effetto Zeemen? […] Immagino che quello che sto cercando di capire sia che teoricamente la luce non può essere piegata da un campo magnetico o elettrico. Quindi questi effetti , Zeeman e Stark, stanno modificando la struttura atomica [stessa]?"

L'effetto Zeeman è ciò che vediamo quando applichiamo un campo magnetico esterno, mentre l'effetto Stark è ciò che vediamo quando applichiamo un campo elettrico esterno. Entrambi dividono davvero i livelli di energia atomica, ma non nel modo in cui ci si potrebbe aspettare.

Innanzitutto è vero: la luce, pur essendo essa stessa un'onda elettromagnetica, non può essere piegata né da un campo magnetico né da uno elettrico. I campi elettrici e magnetici, notoriamente, causano la flessione delle particelle in movimento, ma solo se quelle particelle stesse sono composte da cariche elettriche diverse da zero.

Ma un fotone non è carico e non è costituito da alcun costituente carico. Sebbene i campi magnetici ed elettrici esterni possano polarizzare la luce, cambiando la direzione dei suoi campi mentre si propaga, non possono piegare la luce stessa.

Ma l’effetto Zeeman e l’effetto Stark non solo sono entrambi reali, ma sono stati entrambi osservati sperimentalmente molto tempo fa. La sfida per i teorici non è quella di dimostrare quali effetti non possono essere in gioco – come dimostra il fatto che i fotoni non possono essere deviati da campi elettrici o magnetici – ma piuttosto di scoprire la causa critica dell’effetto osservato, completando la spiegazione della sua grandezza e le condizioni in cui appare.

La confusione nasce qui perché non è perché gli atomi emettono luce e poi la luce si propaga attraverso una regione dove c'è un campo elettrico o magnetico; questo è un modo per ottenere la polarizzazione, ma non un modo per ottenere la suddivisione dei livelli energetici, come nell'effetto Zeeman o nell'effetto Stark.

Invece, il modo in cui si dividono i livelli energetici all’interno di un atomo (o di una molecola, se si preferisce una chimica più complessa) è applicando il campo elettrico o magnetico all’atomo (o alla molecola) stesso, prima della transizione critica da un livello energetico a se ne verifica un altro. Quei fotoni vengono creati all'interno di un atomo o di una molecola a cui è già stato applicato questo campo esterno, ed è lì che avviene questa scissione. Avremmo dovuto aspettarcelo, perché esiste un modo sottile per catturare lo stesso effetto di fondo che si verifica in natura anche senza un campo esterno: attraverso la struttura fine degli atomi.

La maggior parte di noi, quando pensa ai livelli energetici degli atomi, risale al modello di Bohr, che di per sé era rivoluzionario. Nel 1912, Bohr ipotizzò che gli elettroni non orbitano attorno al nucleo di un atomo nel modo in cui i pianeti orbitano attorno al Sole: tenuti in posizione da una forza centrale invisibile. Invece, affermava l'idea di Bohr, c'erano solo alcuni stati particolari in cui gli elettroni potevano orbitare: gli orbitali, invece di possedere qualsiasi combinazione di velocità e raggio che portasse a un'orbita stabile nel caso del movimento planetario.