- •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
Нормальный эффект Зеемана
Нормальным (простым) эффектом Зеемана называется расщепление спектральной линии на три компоненты (при наблюдении перпендикулярно магнитному полю). Он наблюдается у линий, соответствующих переходам между уровнями с одинаковым фактором Ландеg. В частности, такие линии характерны для перехода между синглетными уровнями, обладающими нулевым суммарным спиновым моментом ().
Рассмотрим переход в атоме кадмия (см. Рис.2, а). И в начальном, и в конечном состояниях:. Подставив эти значения в (5), получим:
, (7)
Согласно правилам отбора (6) ; и мы получаем три компоненты:
, (8)
В действительности имеется девять разрешенных переходов (Рис. 2, а): в магнитном поле уровни расщепляются на () компонент, где– квантовое число момента импульса. Таким образом, уровеньрасщепляется на три подуровня, а уровень– на пять. Однако из-за равенства факторов Ланде начального и конечного состояний энергии некоторых переходов оказываются равными, и в спектре атома в магнитном поле наблюдается 3 спектральных линии – так называемыйзеемановский триплет.
а) б)
Рис. 2 – Расщепление атомных энергетических уровней в магнитном поле и разрешённые переходы: а) нормальный эффект Зеемана; б) аномальный эффект Зеемана.
Аномальный эффект Зеемана
Аномальным (сложным) эффектом Зеемананазывается расщепление линий на число компонент более трёх. Такие линии характерны для переходов между уровнями с ненулевым суммарным спином ().
Рассмотрим переход в атоме кадмия (см. Рис.2, б):
Начальное состояние :.
.
Конечное состояние :.
.
Воспользовавшись формулой (5) с учетом правил отбора (6), получим схему переходов, изображённую на Рис.2, б). Список переходов и соответствующие энергетические сдвиги приведены в Таблице 1.
Таблица 1
№ |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
-1 |
-1 |
-1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
-2 |
-3/2 |
-1 |
-1/2 |
0 |
1/2 |
1 |
3/2 |
2 |
Экспериментальная часть Экспериментальная установка
Общий вид экспериментальной установки и её схема представлены на рис.3 и 4.
Линза и линза внутри эталона Фабри-Перо дают почти параллельный пучок света, необходимый для создания интерференционной картины. Линзыипозволяют наблюдать интерференционную картину с помощью телекамеры, соединенной с компьютером.
Для наблюдения красной линии кадмия (λ=643,847 нм) в эталон Фабри-Перо устанавливается красный светофильтр, а для исследования голубой линии (λ=508,588 нм) – соответствующий интерференционный фильтр.
Кроме указанных элементов в состав установки входят: компьютер с монитором, блок питания электромагнита с внешним конденсатором фильтра, мультиметр для измерения тока в электромагните, блок питания спектральной лампы.
Рис. 3 – Экспериментальная установка для изучения эффекта Зеемана.
Рис. 4 – Расположение оптических компонентов на оптической скамье.
1 – Вращающийся столик; 2 – полюсные наконечники электромагнита; 3 – кадмиевая спектральная лампа; 4 – ирисовая диафрагма; 5 – линза с фокусным расстоянием; 6 – эталон Фабри-Перо; 7 – линзас фокусным расстоянием; 8 – анализатор; 9 – линзас фокусным расстоянием; 10 – телекамера.