Изучение простого (нормального) эффекта Зеемана

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

Политко Максим Олегович

ОТЧЕТ

о лабораторной работе

«Изучение простого (нормального) эффекта Зеемана »

практикум по атомной физике, 3 курс, группа 7311

Преподаватель атомного практикума

 ________________М.В. Иванцивский.

«»2010 г.

Новосибирск 2010

Цель работы: Изучение спектральных и поляризационных характеристик излучения вещества, помещенного в магнитное поле на примере синглета кадмия X = 643.8 нм; определение зависимости величины расщепления линии от напряженности магнитного поля.

Введение Эффект Зеемана - это расщепление спектральных линий излучения (поглощения) атомов, молекул и кристаллов в магнитном поле. Впервые этот эффект был обнаружен голландским физиком П. Зееманом в 1896 г. при исследовании спектров испускания натриевой горелки, помещенной в магнитное поле.

Краткая теория В первых опытах Зееман обнаружил, что при наблюдении поперек поля спектральная линия расщепляется на три линейно поляризованные компоненты. Средняя компонента не смещена, крайние смещены в противоположные стороны на одинаковые расстояния (в шкале частот). Смещение пропорционально напряженности внешнего магнитного поля В. В средней компоненте электрический вектор направлен параллельно магнитному полю (такие компоненты называются п-компонентами), в крайних - перпендикулярно к нему (такие компоненты называются с-компонентами). Интенсивность п-компоненты вдвое, а каждой из с-компонент в четыре раза меньше интенсивности исходной линии.

При наблюдении вдоль магнитного поля получается такое же смещение (при одинаково напряженности магнитного поля), что и в предыдущем случае, но не смещенная компонента отсутствует. Интенсивность каждой компоненты вдвое меньше интенсивности исходной спектральной линии. Обе компоненты поляризованы по кругу в противоположных направлениях (их принято называть так же с-компонентами). Если свет распространяется в направлении магнитного поля, то с-компонента с меньшей частотой поляризована по правому, а с большей - по левому кругу. При изменении магнитного поля на противоположное меняется на противоположную и круговая поляризация обеих компонент.

Объяснение эффекта в классической теории Лоренца.

Излучение максимально в направлении, перпендикулярном к ускорению электрона, а в направлении ускорения отсутствует в соответствии с диаграммой направленности излучения диполя. Согласно классической теории, частота излучаемого света совпадает с частотой колебания электрона. Но последняя меняется при включении магнитного поля. Поэтому должна измениться и частота излучаемого света. При наблюдении вдоль магнитного поля колебание в том же направлении излучения не дает. Излучение создается только круговыми вращениями электрона. В результате наблюдается только две с-компоненты с круговой поляризацией.

При наблюдении поперек магнитного поля В колебания электрона, параллельные В, дают максимум излучения. Им соответствует несмещенная п-компонента, в которой электрический вектор параллелен В. Оба круговых движения совершаются в плоскости, перпендикулярной к В. Разложим каждое из них на гармоническое колебание вдоль линии наблюдения и перпендикулярное к нему. Только колебания, перпендикулярные к линии наблюдения, сопровождаются излучением и дают две с-компоненты ,

в которых электрические векторы перпендикулярны к В.

Описание установки Для создания магнитного поля в работе используются электромагниты между полюсами которых размещена кадмиевая лампа. В качестве спектрального прибора для разложения излучения лампы в спектр используются эталон Фабри-Перо  и интерферометр Фабри-Перо. Для того чтобы эти спектральные приборы корректно работали, необходимо обеспечить, что бы падающий свет имел очень узкий спектральный диапазоном, и обладал практически плоским волновым фронтом. Узость спектрального диапазона источника обеспечивается светофильтром  или как в нашем случае, набором из двух светофильтров и ограничивается областью свободной дисперсии используемого интерферометра/эталона Фабри-Перо. Плоский волновой фронт на входе в интерферометр/эталон формируется с помощью линзы, в фокальной плоскости которой размещается источник света. Обратите внимание, что для наблюдения продольного эффекта в сердечнике одного из магнитов сделано сквозное отверстие. Качество интерференционной картины сильно зависит от качества изготовления эталона Фабри-Перо. В частности от таких характеристик как: однородность напыления зеркал на стеклянную пластину, равномерности коэффициента отражения по всей поверхности зеркал и качества поверхности самой пластины. Все это приводит к ухудшению картинки в плоскости изображения, а конкретно, к размытию (уширению) линий. Для повышения четкости спектральных колец установлена диафрагма, которая коллимирует световой поток вблизи оси, где качество эталона всегда выше, чем на краях пластины. После эталона, установлен объектив, который строит изображение интерференционной картины на светочувствительный элемент телекамеры - ПЗС-матрицу. С телекамеры изображение передается либо на монитор, либо на персональный компьютер, в зависимости от того, куда подключен сигнальный кабель видеокамеры. Для визуального контроля эффекта поперек магнитного поля необходимо установить в рабочее положение поворотное зеркало, которое отражает выходящий из интерферометра свет в зрительную трубу, через которую наблюдатель может наблюдать интерференционную картину.