Вопросы к работе “Эффект Зеемана”

1. Нарисуйте схему установки для наблюдения эффекта Зеемана. Как должны быть расположены полюса электромагнита, чтобы на рис.1 (см. методические указания к работе) вектор магнитной индукции (или напряженности) был направлен вдоль оси Z?

2. Согласно классической теории излучающий атом в источнике света можно в первом приближении представить в виде линейного гармонического осциллятора, в котором оптический электрон совершает колебания вдоль некоторой линии, в общем случае произвольно ориентированной по отношению к направлению магнитного поля. Магнитное поле за счет силы Лоренца усложняет колебание электрона. Если разложить усложненное линейное колебание электрона на рис.1 по осям X,YиZ(осиXиZлежат в плоскости рисунка), то какие колебания электрона ответственны за появление спектральных линий в магнитном поле на рис.2а и рис.2б? Какова поляризация излучения в линиях? Что представляет собой линейная поляризация и в каком случае она появляется? Что представляет собой круговая поляризация и в каком случае она появляется (как должен был бы двигаться при этом электрон в атоме?). (См. в [3] § 92).

3. Что понимают под орбитальным угловым моментом (моментом импульса, моментом количества движения) механической системы в классическом случае? Для примера рассмотрите случай наиболее простого атома – атома водорода и для наглядности используйте планетарную модель атома. Через какие характеристики задается орбитальный угловой момент атома согласно квантовой механике? Какие квантовые числа здесь используются? Через какие характеристики в квантовой механике описываются спиновый момент и полный момент количества движения атома? Какие квантовые числа здесь используются? Как обозначаются квантовые числа для атома с одним электроном (атом водорода и водородоподобные ионы, а также щелочные атомы, имеющие один валентный электрон) и для атома с двумя и более электронами.

4. В курсе общей физики рассматривается магнитный момент как важная векторная характеристика элементарного контура с током или просто кругового тока. Как задаются направление вектора и его величина? Как ведут себя контур с током и соответствующий магнитный момент в однородном магнитном поле? Как записывается дополнительная энергия Еконтура с током в магнитном поле? При какой ориентации магнитного момента энергияЕявляется минимальной, а положение контура с током наиболее устойчивым? При какой ориентации магнитного момента энергияЕявляется максимальной, а положение контура с током наиболее неустойчивым?

5. Если атом обладает ненулевым орбитальным моментом количества движения (далее просто механическим моментом), то атом обладает также орбитальным ненулевым магнитным моментом. Какова причина появления орбитального магнитного момента? Как по отношению друг к другу ориентированы оба момента? Для примера рассмотрите атом водорода и для наглядности используйте планетарную модель атома. Как количественно взаимосвязаны между собой орбитальные магнитный и механический моменты? Как количественно взаимосвязаны между собой спиновый магнитный момент атома и спиновый механический момент? Как количественно взаимосвязаны между собой полный магнитный момент атома и полный момент количества движения атома при нулевом и ненулевом спиновом механическом моменте атома?

6. Если задано значение квантового числа J(например,J=2), то какие значения может принимать магнитное квантовое числоm_J? При каком значенииm_Jдополнительная энергия атомаЕв магнитном поле является минимальной, а ориентация магнитного момента наиболее устойчивой? Как по отношению к направлению магнитного поля ориентируются в этом случае магнитный момент и механический момент атома (для простоты пустьS=0)? При каком значенииm_Jдополнительная энергия атомаЕявляется максимальной, а ориентация магнитного момента наименее устойчивой? Как при этом ориентируются магнитный момент и механический моменты?

7. На рис.3 показана картина расщепления энергетических уровней в магнитном поле для желтой линии ртути HgI5790.7, которая проявляет нормальный эффект Зеемана. Какие квантовые числаL,SиJсоответствуют верхнему энергетическому уровню с обозначением¹D₂? Почему этот энергетический уровень расщепляется на пять подуровней? Почему нижний энергетический уровень с обозначением¹Р₁расщепляется на три подуровня? Почему 9 разрешенных переходов с верхнего энергетического уровня на нижний энергетический уровень дают в излучении только три спектральных линии, а не 9?

8. Переход с верхнего энергетического уровня ³D₂на нижний уровень¹P₁соответствует желтой линии ртутиHgI5769.6(см. рис.4), которая уже проявляет аномальный эффект Зеемана. Аномальность заключается в том, что теперь девяти переходам соответствуют, как показано на рис. 5б, девять разных спектральных линий. За счет какого фактора картина расщепления линииHgI5769.6усложнилась? В чем различаются картины расщепления энергетических уровней линийHgI5790.7иHgI5769.6?

Рекомендуемая литература

1. Матвеев А.Н. Атомная физика: Учеб пособие для студентов вузов. – М.: Высшая школа, 1989. – 439 с. §§45, 46.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учебное пособие для вузов. В 5 т. Т.V. Атомная и ядерная физика. – 2-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2002. – 784 с. §41.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учебное пособие для вузов. В 5 т. Т.IV. Оптика. – 3-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2002. – 792 с. §92.

4. Шпольский Э.В. Атомная физика. Т.1. Введение в атомную физику. – 6-е изд., испр. – М.: Наука, 1974. - 575 с. §§76, 77, 78; Т.2. Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атома. – 4-е изд., перераб. - М.: Наука, 1974. - 447 с. §§77, 78, 79.

5. Борн М. Атомная физика /Пер. с англ. - 7-е изд., доп. – М.: Мир, 1965. – 483 с. Глава VI. §2.

6. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - 2-е изд., испр. - М.: Наука, 1982. – 304 с. §§32, 33, 34.

7. Портис А. Физическая лаборатория. Берклеевский курс физики /Пер. с англ. - 2-е изд. – М.: Наука, 1978. – 320 с. Раздел 4. Работа 4.3. О влиянии магнетизма на природу света, испущенного веществом, с.271-277 (перевод с англ. статьи P.Zeeman, Phil.Mag. (PhilosophicalMagazine) 43, 226 (1897)).

8. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т.7. Физика сплошных сред. – М.: Мир, 1977. – 288 с. Глава 34. §§2, 7, 8.