Атомн практ,частина 2

E = EL,M L − EL−1,M L −1 = hc	Δν
	2 ,	(16)

де Δν - відстань між двома σ компонентами при повздовжньому ефекті Зеємана. З іншого боку, зміна енергії E дорівнює

E = μB B ,			(17)
де μB - магнетон Бора.
Поєднавши вирази (16) і (17), отримаємо
μB = hc	ν
		.	(18)
	2B

Виконання роботи.

Загальний вигляд установки представлений на рисунку 4.

Рис. 4. Експериментальна установка для вивчення ефекту Зеємана

21

Рис. 5. Розташування оптичних компонентів на оптичній лаві

Зберіть установку (Рис.4,5).

∙Розташуйте електромагніт на обертовому столі і закріпіть його за допомогою двох полюсних наконечників таким чином, щоб залишалося досить великий простір для кадмієвої лампи (9-11 мм). Закріпіть наконечники, щоб вони не рухалися при підключені магнітного поля. Вставте кадмієву лампу між наконечниками і підключіть її до джерела живлення для спектральних ламп. З'єднайте паралельно котушки електромагніту через амперметр до джерела живлення (20 В, 12 А). Конденсатор ємністю у 22000 мкФ повинен бути під'єднаний паралельно до джерела живлення.

∙На оптичній лаві з лінійкою розташуйте наступні елементи згідно Рис. 5 (у дужках дано їх приблизне розташування в сантиметрових відмітках):

(80)телекамера CCDтипу,

(73) лінза L3 = +50 мм,

(45) аналізатор,

(39) лінза L2 = +300 мм,

(33) еталон Фабрі-Перо,

(25) лінза L1 = +50 мм,

(20) ірисова діафрагма.

Лінза L1 і еталон Фабрі-Перо створюють паралельний пучок світла, що необхідно для

утворення інтерференційної картини. В еталоні Фабрі-Перо знаходиться змінний світлофільтр, який виділяє червону лінію кадмію (643,8 нм). Лінза L2 створює

інтерференційну картину кілець, які спостерігаються через лінзу L3 . Діаметр кілець

вимірюється за допомогою телекамери ССD –типу. Телекамера з 8 мм лінзами кріпиться на оптичній лаві і може регулюватися по вертикалі і горизонталі.

∙Розташуйте обертальний столик з електромагнітом, полюсні наконечники і кадмієву лампу таким чином, щоб центр отворів в наконечниках знаходився на відстані 28 см над столом. Оптична лава з усіма складовими повинна бути розташована поблизу електромагніту на такій відстані, що при прибраній ірисовій діафрагмі і при напрямку магнітного поля вздовж напрямку спостереження (вздовж оптичної лави, рис. 5) вихідний отвір одного з наконечників збігався з розташуванням віддаленої діафрагми (20). Перевірте також, щоб вихідний отвір перебував у площині фокусу лінзи L1 .

∙Увімкніть лампу, не включаючи електромагніт. Пересуваючи незначно еталон Фабрі-Перо, або лінзу L2 (вертикально чи горизонтально), або змінюючи нахил телекамери, отримаєте інтерференційну картину на екрані комп'ютера.

22

Картина повинна розташовуватися в центрі і бути чіткою, симетричною і з правильними кругами. Для отримання зображення зайдіть в меню «File» («Файл») і виберіть опцію «Capture Window» («Фотографія вікна»). Установки контрасту, яскравості і насичення зображення регулюються в «Video Capture Filter» («Фільтр Зображення ») в меню «Options» («Опції»).

Експеримент слід проводити в затемненій кімнаті.

Завдання 1. Вивчення поздовжнього ефекту Зеємана (нормального).

1.Підготуйте установку до виконання експерименту:

∙видаліть ірисову діафрагму,

∙поверніть наконечники електромагніта так, щоб їх вихідні отвори розташовувались вздовж оптичної осі (напряму спостереження). Спостерігайте інтерференційну картину;

∙увімкніть магнітне поле, для цього встановіть струм величиною 8 А у котушках. При цьому кожне інтерференційну кільце має розділитися на два кільця (дублети);

∙переконайтесь, що при зміні величини магнітного поля (вимкніть струм у котушках електромагніту) відстань між дублетами змінюється. Для визначення значення індукції магнітного поля за подвійним значенням

струму ( 2 × I ) в котушках використовуйте графік B = f (I ) , представлений на Рис. 6;

Рис. 6. Залежність величини магнітної індукції в області розташування лампи від подвійного значення струму в котушці.

∙переконайтесь, що інтерференційна картина не змінюється при повороті площини пропускання аналізатора;

∙переконайтесь, що світло поляризоване по колу, використовуючи

пластину λ / 4 .	Для	цього вставте	пластину	між	лінзою L2	і
аналізатором.	Якщо	оптична вісь	пластини	λ / 4	збігається	з

вертикаллю, видно, як одне кільце зникає, якщо аналізатор знаходиться під кутом у 45º до вертикалі, в той час як інше кільце зникає при положенні -45º.

2.Проведіть експеримент:

∙сфотографуйте картинки (рис. 7) при різних значеннях напруженості магнітного поля, вибравши «Still Image» («Фотознімок») у меню «Capture» («Захват»). Після цього меню автоматично згортається і в головному

23

вікні з'являється зображення. Запишіть значення сили струму в котушці, при якому зображення було отримано, використовуючи опцію «Text» («Текст»);

∙повторіть вищевказану процедуру кілька разів для різних значень

магнітного поля (при силі струму в 5А,	6А,	8А та 10А). На
отриманих зображеннях визначте радіуси кілець		за допомогою опції
«Circle» («Коло») у меню «Measure» ;

∙заповніть таблицю 1 для п'яти значень струму і чотирьох інтерференційних кілець.

Таблиця 1.

I ,	B ,	Радіуси інтерференційних
А	мТл			кілець *
		r1,a	r1,b	r2,a	r2,b	r3,a	r3,b

* - у позначеннях радіусу перший індекс - це номер кільця, а другий індекс - позначення σ -компоненти.

Рис. 7. Знімок з екрана (визначення радіусів кілець інтерференції).

3. Проведіть обробку експериментальних даних:
∙ для кожного значення, використовуючи формули (12) - (14), визначте									і
δ :
	1	2	2 p,2 p−1				2 p,2 p−1
=		∑(	a			+	b	)	(19)
	4 p−1
				1	4
		δ =			∑δap,b				(20)
				4 p−1

24

∙за формулою (15) визначте Δν для п'яти значень магнітного поля і заповніть таблицю 2:

Таблиця 2.

B , мТл Δν , м-1

Відстань між пластинами еталона Фабрі-Перо t = 3 ×10−3 м.

∙представте графічно дані таблиці 2, проведіть лінійну апроксимацію даних і визначте значення магнетону Бора (див. формулу 18). Порівняйте отримане значення з теоретичним:

μB,табл. = 9, 273×10−24 Дж/Тл.

Завдання 2. Вивчення поперечного ефекту Зеємана (нормального).

1.Підготуйте установку до виконання експерименту:

∙поверніть наконечники електромагніту так, щоб їх вихідні отвори розташовувалися перпендикулярно напрямку спостереження, поставте діафрагми, спостерігайте інтерференційну картину;

∙увімкніть магнітне поле, для цього встановіть струм у котушках величиною 8 А, при цьому кожне інтерференційне кільце має розщепитися на три компоненти;

∙переконайтесь, що при зміні величини магнітного поля (змініть струм у котушках електромагніту) відстань між компонентами змінюється;

∙переконайтесь, що інтерференційна картина змінюється при повороті аналізатора: при повороті площини аналізатора на 90 , кільця розділяються або на два кільця (дублети), або на три (триплети).

2.Проведіть експеримент, вимірювання для дублетів, та обробку експериментальних даних аналогічно завданню 1, пункти 2, 3.

Додаток.

Для спрощення проведення обчислень до наведених у роботі завдань, в атомному практикумі є можливість використовувати комп’ютерну програму до Лабораторної роботи “Ефект Зеємана”.

Контрольні питання

1.Що називається ефектом Зеємана?

2.Дати визначення поперечного і повздовжнього ефектів Зеємана.

3.На скільки компонент поділяються енергетичні рівні атома в магнітному полі?

4.Що таке правила відбору? Сформулюйте правила відбору для магнітного квантового числа.

5.Чим відрізняються σ - і π - компоненти спектральної лінії?

6.Що собою являє інтерферометр Фабрі-Перо? Які функції він виконує в даній роботі?

7.Запишіть умову максимуму інтерференції для двох променів.

8.Отримайте формулу (15).

9.Що таке магнетон Бора?

25

ФІЗИЧНІ СТАЛІ

Елементарний заряд – е = 1,60219×10-19 Кл

Маса спокою електрона – me = 9,1095×10-31кг = 5,486×10-4 а.о.м Маса спокою протона – mP = 1,6726×10-27 кг = 1,00728 а.o.м Маса спокою нейтрона – mn = 1,6749×10-27 кг = 1,00866 а.o.м Швидкість світла у вакуумі – с = 2,9979×108 м/сек Гравітаційна стала – G = 6,672×10-11 Н×м2/кг2

Електрична стала – e0 = 8,854×10-12 Ф/м Стала Авогадро – NA= 6,022×1023 моль-1

Стала Больцмана – k = 1,3807×10-23 Дж/К

Стала Планка – h = 6,626×10-34 Дж×с = 4,136×10-15 еВ×с

Магнітна стала - m0 = 1,257×10-6 Гн/м 1 еВ = 1,60219×10-19 Дж

Магнетон Бора - mБ = 9,274×10-24 Дж/Тл

26

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1.М.У. Белый, Б.А. Охрименко. Атомная физика. –К.: Вища шк.., 1984.

2.Д.В. Сивухин. Общий курс физики: В 5-ти т. –Т. 5. Атомная физика. – М.: Наука, 1985.

3.Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела. –М.: Наука, 1980.

4.Э.В. Шпольский. Атомная физика: в 2-х т. – М.: Наука, 1984.

5.І.С. Горбань. Оптика. – К.: Вища шк., Гол. вид-во, 1979.

27

ЗМІСТ

1.	Лабораторна робота №1-2
Дифракція електронів..........................................................................		3
2.	Лабораторна робота №10-2
Електронний парамагнітний резонанс ..............................................		8
3.	Лабораторна робота №11-2
Ефект Зеємана ....................................................................................		15
4.	Фізичні сталі ......................................................................................	26
5.	Список рекомендованої літератури ..................................................	27

28

Навчальний посібник

ХАРЧЕНКО Надія Павлівна

КОРОНОВСЬКИЙ Вадим Євгенович

АТОМНА ФІЗИКА ФІЗИЧНИЙ ПРАКТИКУМ ЧАСТИНА ІІ

Підписано до друку 16.03.2011. Формат 60х8016. Гарнітура Times. Папір офсетний. Друк офсетний.

Наклад 100 примірників. Ум. друк. арк. 3.

Видавнича лабораторія радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка

29