December 05 2016 16:35:02
School Nogma
Навигация
 
Авторизация
Логин

Пароль



Вы не зарегистрированы?
Нажмите здесь для регистрации .

Забыли пароль?
Запросите новый здесь.
 
ЭФФЕКТ ЗЕЕМАНА
ЭФФЕКТ  ЗЕЕМАНА

               Цель работы: изучение нормального эффекта Зеемана, наблюдаемого при расщеплении в магнитном поле синглетной спектральной линии ртутиimg001

(переход  между состояниями 61D2 – 61P1) и определение удельного заряда  электрона.

  1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ


              При действии на излучающие атомы магнитного поля происходит расщепление наблюдаемых спектральных линий. Это явление было обнаружено голландским физиком  П.Земаном (P. Zeman) в 1896 г. при исследовании свечения паров натрия в магнитном

поле и получило название эффекта Земана.

            Во внешнем магнитном поле img002img003атом с магнитным моментом img004 обладает дополнительной энергией

img005                                    (1)

где img006 - проекция магнитного момента атома на направление поля. Согласно векторной модели магнитный момент атома img007 складывается из орбитального магнитного момента img008 и спинового магнитного момента img009, т.е.

img010=img011+img012                                                          (2)

Значения img013 и   img014 определяются соответственно орбитальным L и спиновым S квантовыми числами.

              Наиболее простой случай расщепления спектральных линий наблюдается, когда атом обладает только орбитальным магнитным моментом, т.е. img015= 0,  S=0, и  

                                        img016=img017

            В этом случае img018img019img020< 0, и дополнительная энергия атома в магнитном поле

img021                                          (3)

где img022 =img023img024 - магнетон Бора, e –заряд электрона, img025- постоянная Планка, img026- масса электрона,  mL  - магнитное квантовое число, принимающее значения mL = 0,img027.

Таким образом, в состоянии с S = 0 энергетический уровень атома в магнитном поле B расщепляется ровно на (2L+1) равноотстоящих подуровней, причем разность энергий между двумя соседними подуровнями не зависит от L и равна  img028.

Такое расщепление энергетических уровней приводит к расщеплению спектральных линий: при переходах между подуровнями уровней, которые в отсутствие магнитного поля имели  энергию E1 и E2 ;  вместо одной спектральной линии с частотой перехода

img029                                                        (4)

появляются несколько компонент спектральных линий. img030

          Правило отбора разрешает переходы, при которых   магнитное квантовое число mL изменяется только на  величину img031. Поэтому при помещении источника света в магнитное поле спектральные линии расщепляются на три компоненты, одна из которых – средняя (img032img033 ) – остается несмещенной, а две крайние  (img034) смещаются  на  величину

img035,            img036,               (5)

где с – скорость света. Выражения (5) легко получить из  (3)  и  (4) и правила отбора, а также

учитывая соотношение между частотой, длиной волны и скоростью света

img037                                                                     (6)

Явление расщепления спектральной линии в магнитном поле на три компоненты называется нормальным эффектом  Земана. Из выше изложенного ясно, что нормальный эффект

Земана наблюдается при переходах между состояниями, в которых спин S=0.

           Зеемановские компоненты спектральной линии поляризованы. Характер поляризации зависит от направления наблюдения по отношению к направлению магнитного поля. При наблюдении перпендикулярно к магнитному полю (поперечный эффект Земана) несмещенная компонента  (img038img039 ) оказывается линейно поляризованной параллельно

полю, а обе смещенные компоненты  (img040) поляризованы перпендикулярно магнитному полю. Если же наблюдение ведется вдоль магнитного поля (продольный эффект Земана), то средняя несмещенная компонента пропадает, наблюдаются только две смещенные компоненты, поляризованные по кругу в противоположных направлениях.

      Все эти наблюдаемые при продольном и поперечном эффекте Земана особенности, а также физический смысл правил отбора, связаны с природой электромагнитного излучения:  фотон обладает моментом импульса, причем проекция    момента импульса фотона на направление его движения равна img041 и не может быть равной нулю.  

              В общем случае, когда атом обладает не только орбитальным, но и спиновым магнитным моментомimg042(img043img044 0,  Simg0450), спектральная линия при наличии магнитного поля может расщепляться на большее число компонент. Имеет место сложный или аномальный эффект Земана. Примером такой линии в спектре ртути является наиболее яркая зеленая линия img046, расщепляющаяся на девять компонент. Разрешающая способность нашей экспериментальной установки не достаточна для  наблюдения этих компонент по отдельности, мы можем увидеть только уширение спектральной линии при включении магнитного поля.

           Магнетон Бора равенimg047 =img048img049= 9,274 х10-24 Дж/Тл.  Легко видеть, что для нормального эффекта Зеемана в видимой области спектра и довольно сильном магнитном поле  порядка 0,1 Тл относительная величина зеемановского расщепления спектральной линии очень мала

img050.                          (7)

      Таким образом, для наблюдения и исследования эффекта Земана в видимой области спектра необходимо применять спектральный прибор с очень высокой разрешающей способностью:img051img052 и выше.

В данной работе в качестве такого спектрального прибора используется интерферометр Фабри-Перо.

      Замечания:

       1.В данной работе изучается нормальный эффект Зеемана, наблюдаемый при расщеплении в магнитном поле синглетной спектральной линии ртутиimg053 (переход  между состояниями 61D2 – 61P1).  Символ,  N 2S+1LJ ,   описывающий состояние атома, имеет следующий смысл: N – главное квантовое число; L – орбитальное квантовое число (при этом символам S, P, D… в позиции L соответствуют значения L, равные соответственно 0, 1, 2, …); S –спиновое квантовое число; J – квантовое число полного момента импульса (при этом магнитное квантовое число  mJ принимает значения: -J, -J+1,…., J-1, J).  Величина mJ определяет проекцию полного магнитного момента на направление магнитного поля img054, а значит и величину расщепления в магнитном поле и количество магнитных подуровней для соответствующего энергетического уровня.

     Из сказанного следует, что в каждом из состояний 61D2 и 61P1 величина S = 0,  т.е.

J = L, причем соответственно J = 2 в состоянии 61D2  и J = 1 в состоянии 61P1.

        2. Орбитальный магнитный момент img055 и (при S img056 0) спиновый магнитный момент img057 эволюционируют в магнитном поле как единое целое, т.е. сумма магнитных моментов

img058=img059+img060   имеет смысл, пока магнитное поле не очень велико, так что  взаимодействие с

магнитным полем мало по сравнению со спин-орбитальным взаимодействием. В сильных магнитных полях связь между   img061иimg062  «разрывается», и они эволюционируют в магнитном поле независимо друг от друга. Поэтому в таких сильных магнитных полях для любых спектральных линий имеет место только нормальный эффект Земана.                                                  

       3. Физический смысл величины магнетона Бора img063 =img064img065  можно понять из полуклассического рассмотрения движения электрона в атоме по круговой орбите радиуса r

cкоростью v.  Такой виток с током I = ev/2img066охватывает площадь S =img067, а его магнитный момент равен img068 =  I S = evr/2= e(me vr)/2me=(eimg069/2me)mL.  Здесь мы воспользовались условием квантования момента импульса М = me vr = mLimg070, где

mL  - магнитное квантовое число, принимающее значения mL = 0,img071.

Таким образом, магнитный момент электрона, находящегося в состоянии mL, равен целому

кратному магнетона Бора, который в этом смысле является «квантом» магнитного момента.

2.  ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

img072

    На рис.1 представлена схема установки для наблюдения эффекта Зеемана перпендикулярно и вдоль направления магнитного поля. Свет от источника 1 (ртутная лампа ДРС-50), находящегося в магнитном поле, проходят через конденсор 2 и попадает на щель З спектрографа ИСП-51, где он проходит через коллиматор 4 и направляется на установленный в спектрограф интерферометр Фабри-Перо 5. После этого свет проходит через призменную систему 6 спектрографа и фокусируется камерным объективом 7 на выходную щель 8 спектрографа. Спектр наблюдается перпендикулярно магнитному полю визуально через окуляр-микрометр 9. Зеркало 10 позволяет вести наблюдения вдоль магнит- ного поля (продольный эффект). Магнитное поле создается электромагнитом, величину поля можно варьировать, изменяя ток через магнит.

Комментарии
Нет комментариев.
Добавить комментарий
Пожалуйста, залогиньтесь для добавления комментария.
Рейтинги
Рейтинг доступен только для пользователей.

Пожалуйста, авторизуйтесьили зарегистрируйтесь для голосования.

Нет данных для оценки.

Время загрузки: 0.07 секунд 4,195,149 уникальных посетителей