Техника безопасности

1. Не смотреть без очков на излучение ртутной лампы;

2. После выключения насоса кран II немедленно повернуть на атмосферу (иначе масло из насоса попадет на зеркала ИФП).

3. Следить за тем, чтобы не засветить ФЭУ: включать высокое напряжение только при плотном соединении корпуса ФЭУ с выходной щелью монохроматора. Снимать ФЭУ с рельса только при выключенном напряжении.

Литература

1. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. - М.: Наука, 1974.

2. Зайдель А.Н., Островская Г. В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. -М.: Наука, 1976.

Рис.9. Расфокусировка камерного объектива

РАБОТА № 3

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ЗЕЕМАНА

Оборудование; спектрометр Фабри-Перо, ртутная лампа высокого давления (ПШ), постоянный магнит, монохроматор Л1-2, анали­затор.

Цель работы: исследование расщепления спектральных линий в магнитном поле; измерение напряженности магнитного поля.

Краткая теория

Если поместить вещество, которое излучает или поглощает свет, в магнитное поле, то возникает важные оптические явления: изменяются спектры испускания и поглощения поляризационные характеристики света, скорость его распространения и т.д. В спектрах испускания появляется расщепление спектральных линий на несколько компонент. Это явление впервые наблюдалось в 1896 году Зееманом и носит название эффекта Зеемана. В зависимости от числа расщепленных уровней различают простой (нормальный) и сложный (аномальный) эффекты Зеемана. Картина расщепления спектральных линий при наблюдении вдоль направления внешнего магнитного поля называется продольным эффектом Зеемана, и для направления, перпендикулярного полю, - поперечным.

Простой эффект Эеемана

В случае простого эффекта Зеемана число компонент расщепления, смещение частот спектральных линий и характер поляризации объясняется с помощью классической теории Лоренца. В этой теории в отсутствии магнитного поля излучение монохроматического излучения частотой υ₀ (рис.I0a) рассматривается как результат движения электрона по гармоническому закону. При наложении магнитного поля напряженностью "H" характер движения электрона изменяется. Спектр излучения электрона состоит из трех составляющих c частотами υ₀ -- ∆υ, υ₀, υ_{0 +} ∆υ. Для поперечного эффекта Зеемана наблюдается триплет (три линейно-поляризованные спектральные линии - рис.106); расстояние между компонентами

(17)

Рис.10. Структура спектральных линий.

Для продольного эффекта Зеемана наблюдается дублет с расстоянием между компонентами (рис.10в); обе компоненты поляризованы по кругу.

Простой аффект Зеемана наблюдается только для одиночных (синглетных) спектральных линий.

Сложный эффект Зеемана

Сложный эффект Зеемана возникает в слабых магнитных полях. В квантовой теории он объясняется наличием спина электрона. Пусть в отсутствии поля каждый энергетический уровень атома характеризуется квантовыми числами L, S, I (орбитальное, спиновое и полное квантовые числа соответственно). Задание этих трех квантовых чисел определяет магнитный момент атома M_I.

В магнитное поле атом приобретает дополнительную энергию

, (18)

где (19)

- множитель Ланде или фактор спектроскопического расщепления энергетического уровня атома. Формула (19) дает расщепление исходного уровня на (2L+1) дополнительных подуровней. Число подуровней равно числу возможных ориентаций атомного момента.

- магнетон Бора

m_I - магнитное квантовое число, принимающее значение от: I до -I, т.е. (2I+1) значений.

Если без магнитного поля квант энергии излучения hυ₀ = E_n - E_m,то в магнитном поле энергия и частота излучения кванта меняется:

(20)

Отсюда величина расщепления линии

(21)

Картина зеемановского расщепления данной спектральной линии определяется- расщеплением комбинирующих уровней и правилами отбора для магнитного квантового числа. Для дипольного излучения правило отбора имеет вид

(22)

где m_{n, m}- магнитные квантовые числа комбинирующих уровней. В соответствии с правилами отбора (22) при переходах между подуровнями получаются два типа составляющих:

∆m = 0 – π - составляющие (m_n = m_m);

∆m = ±1 – σ – составляющие.

π и σ — составляющие отличаются поляризацией. π - составляющие поляризованы линейно, т.е. соответствуют линейным колебаниям излучающего диполя, параллельным направлению внешнего магнитного поля; σ - составляющие поляризованы по кругу, т.е. соответствует круговым колебаниям излучающего диполя в плоскости, перпендикулярной направлению внешнего поля (∆m = +1 -правая составляющая, ∆m = 1 - левая составляющая) . При наблюдении продольного эффекта Зеемана π - составляющие отсутствуют. При наблюдении поперечного эффекта Зеемана - присутствуют σ и π компоненты.

Вернемся к формуле (19): очевидно, измерив спектроскопическим методом величину ∆υ, легко оценить при известном е/m_e величину напряженности магнитного поля, или наоборот, при известном H можно определить е/m_e. Данный метод обладает уникальным достоинством - он бесконтактный, т.е. не возмущает объект исследования.

В работе № 3 предлагается зарегистрировать эеемановское расщепление уровней ртути в поперечном магнитном поле. Схема уровней ртути приводится на рис. II.

Рис.11. Спектр атома ртути.

Приведем примеры расчета картины расщепления линий 5790 Å к 5460,7 Å.

I. λ = 5790 Å. Линия соответствует переходу 6’P⁰₁ – 6’D₂ т.е. синглетная. Значит на ней наблюдается простой эффект Зеемана. Для каждого терма имеем:

Уровень ¹Р⁰₁ расцепляется на 2I+1 = 3 подуровня;

¹D₂ - на пять. Согласно правилу отбора (22) должна наблюдаться несмещенная линия с частотой ∆υ, соответствующая π -компоненте и две σ -компоненты для ∆mI = ±1, расстояние между которыми определяется формулой (17). Разрешенные переходы принято записывать в виде схемы:

В схеме разрешенные перехода соединены стрелками: вертикальные стрелки соответствуют ∆m = 0, т.е. π -компонентам; косые стрелки соответствуют ∆m = ±1, т.е. σ -компонентам. Как видно из схемы для π - компонент = О значит величина расщепления ∆υ = 0, т.е. для ∆m = 0 получается несмещенные π - компоненты с центром υ₀. Для. ∆m = ±1 получаются два значения = ± 1, значит две σ - компоненты, отстоящие на расстояние ∆υ_л, . Таким образом λ = 5790 Å в магнитном поле дает характерный триплет Лоренца (рис. 12).

Рис.12. Магнитное расщепление линии 5790

2. Рассмотрим расщепление триплета 5460,7 Å с сериальным символом 63P02 – 73S1 Для каждого терма

Схема разрешенных переходов: ±3/2, ±6/2.

Рис.13. Магнитное расщепление 5460,7 Å