МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА ФИЗИКИ
Эффект Зеемана
Методические указания к лабораторной работе № О-6
Ростов-на-Дону 2012
УДК 530.1
Составители: И.В. Мардасова, Н.В. Пруцакова,
А.П. Сафронов, И.В. Шкиль
Эффект Зеемана: метод. указания.– Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2012. – 15 с
Методические указания предназначены для организации самостоятельной работы студентов при подготовке к лабораторному практикуму на оборудовании и фирмы «PHYWE» и рейтинговому контролю.
Печатается по решению методической комиссии факультета
«Нанотехнологии и композиционные материалы»
Научный редактор д-р техн. наук, проф. В.С. Кунаков
©Издательский центр ДГТУ, 2012
ЭФФЕКТ ЗЕЕМАНА |
ЛЭФ 5.1.10 -05 |
Цель работы. Изучение эффекта Зеемана с помощью спектральной лампы с кадмием, определение значения магнетона Бора.
Оборудование. 1. Электромагнит ЭМ, установленный на враща-ющемся столе, между полюсами которого находится спектраль-ная лампа с кадмием. 2. Оптическая скамья, на которой установ-лены: ирисовая диафрагма Д; линза Л1 (F1=+50 мм), интерфе-рометр Фабри-Перо И; линза Л2 (F2 =+300 мм); поляризатор П; линза Л3 (F3 = +50 мм); видеокамера ВК для персонального компьютера. 3. Источники питания ИП для электромагнита и спектральной лампы. 4. Цифровой мультиметр М. 5. ПК с программным обеспечением.
Рис.1. Экспериментальная установка
Краткая теория
Эффект Зеемана – расщепление спектральных линий под действием магнитного поля. Открыт в 1896 г. П. Зееманом при исследовании свечения паров натрия в магнитном поле.
Эффект обусловлен расщеплением энергетических уровней атома на подуровни во внешнем магнитном поле. Соответственно в спектре атома наблюдается расщепление спектральных линий. Различают нормальный и аномальный (cложный) эффекты Зеемана. Нормальный эффект возникает при расщеплении одиночной (синглетной) линии. При этом линия расщепляется на три компоненты (триплет): две - компоненты и одна - компонента.
Большинство спектральных линий представляют собой мультиплеты (состоят из двух или нескольких тесно располо-женных линий). Расщепление таких мультиплетов в магнитном поле дает гораздо более сложную картину и называется аномальным (сложным) эффектом Зеемана.
В данной работе рассматривается нормальный эффект Зеемана; используется спектральная лампа с кадмием.
Атом кадмия – система с нулевым полным спином, . В отсутствии магнитного поля приэнергетические уровни не расщеплены и возможен только один переход (рис. 2,а) между() и() – состояниями, что дает в спектре излучения одну спектральную линию с длиной волны. Энергия испущенного фотона, где- постоянная Планка.
В магнитном поле каждый уровень разделяется на подуровней (- орбитальное квантовое число), соответствующих возможным значениям магнитного квантового числа:Соответственно- уровень расщепляется на 3, а- уровень - на 5 подуровней (рис. 2,б).
Величина расщепления между соседними подуровнями одинакова и пропорциональна индукции внешнего магнитного поля: ,
где -магнетон Бора.
Магнетон Бора – проекция собственного магнитного момента (спина) электрона на направление вектора внешнего магнитного поля ,
где - заряд электрона,
- масса электрона, .
Рис. 2
Правила отбора разрешают только такие переходы между подуровнями, при которых .
Следовательно, в данном случае возможны девять переходов, которые можно распределить в три группы.
В первой группе, соответствующей правилу , каждый переход сопровождается излучением фотона с одинаковой энергией: .
Частота соответствующей спектральной линии:
, (1)
где .
Во второй группе () каждый переход сопровождается излучением энергии, частота соответствую-щей спектральной линии равна , т.е. имеет такое же значение, как и в случае, когда = 0.
В третьей группе () излучается фотон с энергией , . (2)
Следовательно, первоначальная спектральная линия в магнитном поле расщепляется на три компоненты:
,которые называются соответственно -,- и- компонен-тами. Эти компоненты оказываются по разному поляризованы, то есть поляризатором света является само магнитное поле.
Эффект расщепления спектральной линии (рис.3) можно наблюдать поочередно в двух взаимно перпендикулярных направлениях: перпендикулярно магнитному полю и вдоль поля. Вследствие различной поляризации компонент наблюдаемая картина будет различной.
При наблюдении перпендикулярно полю (поперечный эффект Зеемана) обнаруживается триплет (три линии): ; крайние линии (- компоненты)
поляризованы так, что колебания в них перпендикулярны вектору индукции магнитного поля , а в средней (- компоненте) – параллельны(рис.3, а).
При наблюдении вдоль поля (продольный эффект Зеемана) виден дублет (две линии): и: первая линия циркулярно поляризована по правому кругу, вторая – левополяризованная (рис.3,б).
По интенсивности - компонента в два раза больше, чем каждая из- компонент, интенсивности которых равны между собой; циркулярно-поляризованные компоненты при продольном эффекте по интенсивности совпадают с- компонентой при поперечном эффекте (рис.3).
Рис.3