- •Лабораторная работа № 16 Эффект Зеемана
- •Теоретическая часть Эффект Зеемана
- •Нормальный эффект Зеемана
- •Аномальный эффект Зеемана
- •Экспериментальная часть Экспериментальная установка
- •Внимание! Установка отъюстирована. Не допускается никаких манипуляций, кроме описанных в разделе «Методика выполнения работы». Интерферометр Фабри-Перо
- •Расчетные формулы
- •Методика выполнения работы Упражнение 1. Продольный и поперечный эффект Зеемана
- •Упражнение 2. Нормальный эффект Зеемана
- •Внимание! Во избежание перегревания магнита не рекомендуется пропускать через него токи выше 8 а в течение долгого периода времени.
- •Упражнение 3. Аномальный эффект Зеемана
- •Контрольные вопросы
- •Расчетное задание
- •Литература
- •Приложение 1. Магнитный момент атома
- •Приложение 2. Вывод формулы для радиуса интерференционных колец в интерферометре Фабри-Перо
Лабораторная работа № 16 Эффект Зеемана
Цель работы: Исследование эффекта Зеемана с помощью интерферометра Фабри-Перо. Определение магнетона Бора.
Теоретическая часть Эффект Зеемана
Эффектом Зеемананазывается расщепление уровней энергии атомов в магнитном поле, фиксируемое по расщеплению спектральных линий. Явление было обнаружено П. Зееманом в 1896 г. при исследовании спектра свечения паров натрия.
Исчерпывающее теоретическое объяснение эффекта Зеемана дается в рамках квантовой теории. Её основные положения, необходимые для полного понимания природы эффекта Зеемана, кратко изложены в Приложении 1.
Взаимодействие магнитного момента атома с магнитным полем приводит к приобретению атомом дополнительной энергии:
, (1)
где B– индукция магнитного поля;– проекция полного магнитного момента атома на направление магнитного поля. Индукция магнитного поля в электромагните, используемом в данной лабораторной работе, не превышает 1 Тл. В этом случае т.н. «слабого поля»можно представить в виде (см. Приложение 1):
, (2)
где – магнетон Бора,g– фактор Ланде,mJ– магнитное квантовое число, которое пробегаетзначений:
. (3)
Подставив в (1), найдём величину расщепления уровней энергии атома в магнитном поле:
. (4)
Таким образом, при наложении магнитного поля состояние атома с полным моментом импульса, определяемым квантовым числом J, расщепляется насостояние (как говорят, происходит снятие вырождения уровней мультиплета по магнитному квантовому числу). В результате при переходе электрона между этими состояниями вместо одной линии, наблюдавшейся в отсутствие поля, появляется группа компонент, частоты которых определяются выражением:
, (5)
где ħ– постоянная Планка,E1иE2– энергии атома, ω0– частота линии в отсутствие магнитного поля. При этом картина расщепления оказывается симметричной относительно первоначально нерасщепленной линии. Все расстояния между соседними компонентами одинаковы, а их число может достигать нескольких десятков.
Количество линий определяется правилами отбора для квантового числа mJ, которые следуют из закона сохранения момента импульса для атомной системы:
(6)
Линии, соответствующие , называютсяπ-компонентами.
Линии, соответствующие , называютсяσ-компонентами.
Условия наблюдения π- и σ-компонент определяются геометрией эксперимента:
Эффект Зеемана называется поперечным, если оптическая ось экспериментальной установки перпендикулярна магнитной индукции(см. Рис.1). В этом случае π- и σ-компоненты линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях.
Эффект Зеемана называется продольным, если оптическая ось параллельна. В этом случае π-компонента отсутствует, а σ-компоненты поляризованы по кругу во взаимно противоположных направлениях.
Рис. 1 – Схема продольного и поперечного эффекта Зеемана
В работе изучается излучение атома кадмия Cd. Конструктивно это спектральная лампа с кадмием. В соответствии с возможностями интерферометра Фабри-Перо, используемого в установке, для исследования были выбраны следующие переходы:
с длиной волны λ=643,847 нм; (нормальный эффект Зеемана);
с длиной волны λ=508,588 нм; (аномальный эффект Зеемана).