Методика эксперимента

Для наблюдения эффекта Зеемана источник света - спектральная лампа, испускающая линейчатый спектр, располагается между полюсами мощного электромагнита (рис.1). Расщепление спектральных линий в магнитном поле весьма незначительно (для магнитных полей ~составляет несколько десятых Å), поэтому используются спектральные приборы с высокой разрешающей способностью.

Для количественного измерения расщепления используется интерферометр Фабри-Перо, который имеет разрешение 300000. Это позволяет определить изменение длины волны в 0,002 нм.

Интерферометр состоит из двух стеклянных пластинок, расположенных на расстоянии друг от друга. На обращенные друг к другу плоскости нанесены высокоотражающие покрытия. Плоская волна, падающая на интерферометр, в результате многократных отражений от пластинок и частичного выхода после каждого отражения разбивается на большое число плоских когерентных волн, отличающихся по амплитуде и по фазе (рис.4).

Рис.4.

Рис.5.

Амплитуда когерентных волн с ростом числа отражений убывает по закону геометрической прогрессии, поэтому при интерференции можно учитывать вклад только соседних волн, идущих в данном направлении. Разность хода между каждой соседней парой когерентных волн, идущих в данном направлении, постоянна и равна ,

а условие наблюдения максимума _,

где , - показатель преломления среды между пластинками (воздуха), - угол преломления,- номер максимума. Пройдя через объектив выходного коллиматора, когерентные волны интерферируют в его фокальной плоскости и образуют пространственную интерференционную картину в виде колец равного наклона(рис. 5).

Можно показать, что радиус кольца определяется выражением

, (3)

где – фокусное расстояние линзы объектива выходного коллиматора, – скорость света в вакууме,- номер кольца,– частота излучения.

Кольцо с радиусом после включения магнитного поля при наблюдении поперечного эффекта Зеемана разбивается на три кольца с радиусами,и(рис. 7), соответствующими трем компонентам расщепленной спектральной линии :(рис. 3,а). Согласно (1) и (2),

, т.е.. (4)

Таким образом, для определения значения магнетона Бора по формуле (4), необходимо выразить разность частотчерез наблюдаемые экспериментально радиусы колеци, используя соотношение (3).

Можно показать, что , (5)

где - (6)

разность квадратов радиусов компонент a и b для одного кольца;

, (7)

- (8)

разность квадратов радиусов компоненты a для соседних колец;

- (9)

разность квадратов радиусов компоненты b для соседних колец.

После соответствующих подстановок формула для расчета магнетона Бора приобретает вид:

. (10)

Выполнение работы

Внимание! Включение и настройка установки осуществляется обслуживающим персоналом!

На оптической скамье расположены следующие элементы (рис.6): ирисовая диафрагма Д; линза Л₁, формирующая парал­лельный пучок света от кадмиевой лампы; интерферометр Фабри-Перо И со сменным светофильтром, через который проходит свет с длиной волны 643,8 нм; линза Л₂, анализатор А и линза Л₃, формирующая интерференционную картину, которая поступает в видеокамеру ВК. Радиусы колец измеряются при помощи программного обеспечения видеокамеры ВК.

Включите компьютер и войдите в программу «Motic Educator». Для получения изображения зайдите в меню «File»(«Файл») и выберите опцию «Capture Window» («Фотогра-фия окна»).

Установки контраста, яркости и насыщения изображения регулируются в «Video Capture Filter» («Фильтр изображения») в меню «Options» («Опции»).

Задание 1. Изучение поперечного эффекта Зеемана.

1. Наконечники электромагнита установить перпендикулярно направлению оптической оси установки.

2. Получить на экране интерференционную картину при отсутствии магнитного поля (В=0), при этом ток в катушках электромагнита равен нулю.

3. Включить магнитное поле, для чего по указанию преподавателя установить ток в катушках I; при этом каждое кольцо должно разделиться на три компоненты (см. рис. 7).

Рис. 7

4. Сфотографировать интерференционную картину, выбрав в меню «Capture» («Захват»).

5. Выбрать опцию «Measurement» («Измерение»), в появившемся окне выбрать «Line» («Линия») и для пяти колец измерить радиусы компонент и, гдеm – номер кольца (см. рис.7). Полученные значения занести в таблицу 1.

6. По графику зависимости (Приложение 1) определить значение магнитной индукции для выбранного значения силы тока в катушках и занести данные в табл. 1.

Таблица 1

		Радиусы интерференционных колец

7. Повторить пункты 3-6 для других значений магнитной индукции по указанию преподавателя.

8. Провести обработку полученных данных, заполняя таблицу 2: а) для каждого значения , используя формулы (6)-(9), определить,,и; б) по формуле (10) рассчитать магнетон Бора.

9. Рассчитать среднее значение , среднюю абсолютную и относительную погрешности измерений:; ; ; .

10. Убедитесь, что компоненты расщепленной спектральной линии поляризованы по-разному: при повороте плоскости пропускания анализатора интерференционная картина изменяется, на ней видны либо три (), либо две компоненты ().

Задание 2. Изучение продольного эффекта Зеемана

1. Повернуть наконечники электромагнита так, чтобы их выходные отверстия располагались вдоль оптической оси (направления наблюдения).

2. Получить на экране интерференционную картину при отсутствии магнитного поля (I=0).

3. Включить магнитное поле, для чего по указанию преподавателя установить ток в катушках; при этом каждое интерференционное кольцо должно разделиться на две компоненты. Значение магнитной индукции, соответствующее данному значению силы тока,

определить по графику из приложения 1.

4. Провести эксперимент измерения для дублетов и обработку экспериментальных данных аналогично заданию 1, пункты 4-9.

Таблица 2

, Тл	m							,		, %
	1
	2
	3
	4
	Среднее значение
	1
	2
	3
	4
	Среднее значение
	1
	2
	3
	4
		Среднее значение

5. Повторить пункты 3-4 для других значений силы тока в катушках по указанию преподавателя.