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