Магнитооптические эффекты

В XIX в. были открыты эффект Фарадея, магнитный эффект Керра и эффект Зеемана; указавшие на связь магнетизма и света. В начале XX в. французские физики А. Коттон и Г. Мутон открыли новый магнитооптический эффект, аналогичный электрическому эффекту Керра. В 1907 г. они показали, что некоторые чистые диамагнитные жидкости под действием магнитного поля становятся двоякопреломляю-щими. Сначала этот эффект был обнаружен в нитробензоле, затем бензоле, сероуглероде и других жидкостях. Метод наблюдения эффекта был следующим: создавался интенсивный источник монохроматического света (спектральная линия ртутной лампы), свет от которого проходил через трубку, наполненную исследуемой жидкостью. Трубка помещалась между полюсами большого электромагнита таким образом, что свет проходил перпендикулярно силовым линиям. Свет поляризовался николем под углом 45° к этим линиям и с помощью николя-анализатора устанавливалась на выходе темнота. При включении тока в электромагнит поле зрения просветлялось и для получения темноты необходимо было повернуть анализатор на некоторый угол. Таким образом, действие магнитного поля вызывает оптическую активность вещества. Разность показателей преломления жидкости для волн, распространяющихся перпендикулярно магнитному полю и поляризованных одна параллельно силовым линиям, другая перпендикулярно к ним по измерениям Кот-тона-Мутона, оказывается пропорциональной квадрату магнитного поля

В 1910 г. П. Ланжевен опубликовал теорию этого явления. Ланжевен показал, что как и в случае электрического эффекта Керра, явление Коттона-Мутона обусловлено ориентирующим действием поля на молекулы жидкости. Поле должно было ориентировать молекулы вдоль силовых линий, если бы этому не мешало дезориентирующее действие теплового движения. "Предложенный механизм,- писал Ланжевен,- аналогичен тому, которым я воспользовался для объяснения свойств парамагнитных тел, составленных из молекул, постоянно намагниченных так, что внешнее магнитное поле ориентирует их все более и более полно по мере увеличения его напряженности. Те же самые методы вычисления позволяют мне выразить в количественной форме следствия из гипотезы, формулированной Коттоном и Мутоном, и показать, что она вполне достаточна как для полного объяснения явления Керра, так и того, которое они наблюдали".

Таким образом, теория Ланжевена эффекта Коттона-Мутона непосредственно примыкает к его теории парамагнетиков, хотя молекулы диамагнетика и не обладают постоянным магнитным моментом. "Ориентирующее действие внешнего поля обусловлено,- указывал Ланжевен,- только тем, что молекула не поляризуется с одинаковой легкостью в направлении своей оси и в перпендикулярном к ней направлении". Распространение теории на молекулы с постоянными диполями было дано позже М. Борном.

Обратимся теперь к весьма важному магнитооптическому явлению, сыгравшему огромную роль в развитии атомной физики - явлению Зеемана. Первоначальная классическая теория "нормального" эффекта Зеемана натолкнулась на серьезное препятствие, заключающееся в том, что "нормальный" эффект составляет скорее исключение из многочисленных фактов "аномального" расщепления спектральных линий. "Уже в 1897 г.,- писал Зееман в одной из обзорных статей,- Майкельсон, Престон, Корню, А. Беккерель, А. Деландр нашли сложное расщепление для магнитного эффекта; в последующие затем годы в многочисленных статьях Рунге и Пашен, Ломан, Пурвис, Джек, Моор, Нагаока, Кинг, Миллер, ван Мёрс и др. описали новые типы расщепления так, что теперь известны расщепления на три, четыре, пять, шесть, даже до 19 компонент (линии вольфрама)".

Фогт (1907) пытался объяснить сложный эффект Зеемана классически, введя представление о связях между различными электронами атома. Природа этих связей остается неопределенной, и можно только сказать, что уравнения, в которые они входят, подчиняются определенным законам. Уравнения Фогта при подходящем выборе входящих в них параметров описывают расщепление линейных спектров газов.

В 1912 г. Пашен и Бак открыли, что при усилении магнитного поля происходит постепенный переход от "аномального" эффекта к "нормальному". Фогт пытался объяснить этот факт с помощью теории связанных эффектов. Однако загадка аномального эффекта Зеемана и эффекта Пашена-Бака были разрешены квантовой механикой значительно позже.

В рассматриваемый период эффект Зеемана сыграл важную роль в фундаментальном открытии американским астрофизиком Джорджем Э. Хейлом магнитного поля Солнца. Он получил в 1908 г. в знаменитой обсерватории Маунт Вильсон, директором которой он был, фотографии поверхности Солнца, сделанные в свете красной водородной линии На. В окрестности солнечных пятен фотография давала ясное указание на существование вихревого движения в этих местах. Гель высказал предположение, что циркулирующие в этих вихрях заряженные частицы (ионы или электроны) производят магнитные поля. Эти поля должны воздействовать на спектр. Действительно, уже в 1866 г. Норман Локьер обнаружил, что спектральные линии в области пятен расширены. Затем Юнг в Принстоне обнаружил, что многие спектральные линии двойные, Митчелл в 1905 г. начертил различные типы спектральных линий солнечных пятен. Затем спектральные линии солнечных пятен летом 1908 г. исследовал Гель. Сперва он обнаружил круговую поляризацию линий, принадлежащих пятну, расположенному в центре диска, причем радиус диска и ось вихря были приблизительно параллельны. Таким образом, он наблюдал в основном продольный эффект в слабой степени. Он предположил тогда, что на краю Солнца можно наблюдать поперечный эффект с сильно поляризованными линиями. 21 октября 1908 г. Гель дал телеграмму Зееману: "Вихри, вращающиеся в противоположных направлениях, обнаруживают противоположные полярности; линии пятен вблизи лимба плоско поляризованы". Таким образом, был обнаружен поперечный эффект и доказано, что с изменением направления вращения вихря магнитное поле изменяло знак.

Итак, исследование магнитооптических явлений имело важное значение не только для понимания внутриатомных явлений, но и для понимания физических свойств космических тел. Атомная и космическая физика со времен открытия спектрального анализа и до наших дней развиваются во взаимной связи.