Лабораторная работа 5 «Исследование спин-орбитального взаимодействия в атомах ртути»

Государственный комитет РФ по высшему образованию

Санкт-петербургский Государственный Электротехнический Университет “Лэти”

ИССЛЕДОВАНИЕ

СПИН-ОРБИТАЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В АТОМАХ РТУТИ

Отчет по лабораторной работе №5

Студенты группы 2211

Захаров Д.В.

Иволгин О.С.

Поклонская Е.А.

Тимофеев Ю.В.

Шестова М. В.

Санкт-Петербург

2005 год

Цель работы: исследование тонкой структуры спектра излучения паров ртути в оптическом диапазоне и оценка величины константы спин-орбитального взаимодействия в атоме.

Краткие теоретические сведенья: из точного решения уравнения Шредингера для атома водорода следует, что состояние электрона определяется 4 квантовыми числами.

1. Главное квантовое число n определяет полную энергию.

2. Азимутальное квантовое число l определяет абсолютную величину орбитального момента импульса электрона.

3. Магнитное квантовое число m_i определяет проекцию орбитального момента импульса на выделенное направление.

4. Спиновое квантовое число m_s определяет проекцию собственного момента импульса электрона на выделенное направление.

Заполнение электронами квантовых состояний в атоме происходит в соответствии с принципом Паули. Это означает, что в одном и том же квантовом состоянии не может находится более одного электрона.

Оптические свойства атомов определяются числом его валентных электронов, поэтому спектры атомов с одинаковым числом валентных электронов схожи между собой. При переходе валентного электрона с n на m атом испускает (n>m) или поглощает (m>n) квант света с частотой, определяемой правилом Бора.

В квантовой механике сказано, что внешняя электромагнитная Волна индуцирует только такие переходы, при которых квантовое число l изменяется на 1, а спиновое число остается неизменным (правила отбора):

Спектры испускания и поглощения щелочных металлов (Na, K, Rb, Cs) отличаются от теоретических расчетов. Это обусловлено двумя причинами.

1. Валентные электроны движутся не только в электрическом поле атомного ядра, но и в поле, созданном электронами внутренних, полностью заполненных оболочек («атомного остатка»). Поле ядра в большой или меньшей степени экранируется внутренними электронами, так что эффективное поле, действующее на валентный электрон, уже не будет кулоновским, но останется центрально-симметричным. Следовательно, в данном случае снимается кулоновское вырождение спектра по l.

2. В тяжелых атомах сказываются эффукты теории относительности, зависимость массы электрона от его скорости, спин-орбитальное взаимодействие.

Оптическая схема спектрофотометра СФ-26:

Излучение от источника 1 падает на зеркальный конденсатор 2, который направляет его на плоское поворотное зеркало 3 и дает изображение источника излучения в плоскости линзы 4, расположенной вблизи входной щели 5. Излучение из 5 падает на зеркальный объектив 6, отразившись параллельным пучком, падает на призму 7. Пройдя призму под углом, близким к углу наименьшего отклонения, отразившись от ее алюминиевой грани, диспергированный пучок направляется обратно на объектив и фокусируется им на входной щели 8. При вращении призмы монохроматическое излучение различных длин волн проходит через выходную щель 8, линзу 9, контрольный или измеряемый образец, линзу 10 и с помощью поворотного зеркала 11 собирается на светочувствительном слое одного из фотоэлементов 12 и 13.

Таблица результатов измерений:

λ нм
360	365	362
392	393	395
470	468	463

Для удобства, результаты расчетов сведены в таблицу

Таблица расчетов.

λ нм	S	L	J	ΔE × 10^-9Дж	А× 10^-^19 Дж
362,3	1	1	2	5,48993	2,744963
393,3	1	1	1	5,05721	-2,528605
467	1	1	0	4,2591	-1,064775

2