Эффект Зеемана
Савельев И.В.Курс общей физики. – М.: Астрель, АСТ. 2001 – кн.5, §4.1.
Лабораторная работа № 16
Эффект Зеемана
Цель работы:Исследование эффекта Зеемана с помощью интерферометра Фабри-Перо. Определение магнетона Бора.
Теоретическая часть
Эффект Зеемана
Эффектом Зеемана называется 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 пробегает значений:
. (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 на состояние (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, E1 и E2 – 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 , называются π-компонентами.
· Линии, соответствующие , называются σ-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).
Дата добавления: 2015-03-23; просмотров: 1793;