Изучение простого эффекта Зеемана (Лабораторная работа 2.1)

Лабораторная работа 2.1

А. Р. Нестеренко, И. Н. Нестеренко

Изучение простого эффекта Зеемана

Цель работы: изучение спектральных и поляризационных характеристик излучения вещества, помещенного в магнитное поле; определение зависимости величины зеемановского расщепления от напряженности магнитного поля.

Краткая теория

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.

Если поместить атом в магнитное поле, то его энергетические уровни (термы) изменяются. Изменение энергии связано с взаимодействием магнитного момента уровня атома с внешним магнитным полем, а его величина в случае слабого поля равна

где магнитный момент уровня, H– магнитное поле.

Магнитный момент терма пропорционален его полному механическому моменту J составляющих его электронов:

,

где магнетон Бора = /  = (эрг / Гс),  множитель Ланде, или g-фактор.

Проекция M полного механического момента J на какое-либо направление (например, направление магнитного поля H) квантуется, т. е. может принимать лишь строго определенные значения, а именно M = 0, 1, .., J. Поскольку энергия взаимодействия магнитного момента с магнитным полем зависит от величины проекции момента m, то уровень с  моментом J в присутствии магнитного поля расщепляется на 2J + 1 компоненту. Говорят, что магнитное поле снимает вырождение уровня по магнитному квантовому числу m. Изменение энергии для каждой компоненты уровня:

= .

Это расщепление симметрично относительно начального нерасщепленного уровня, а абсолютная величина определяется g-фактором и магнитным полем Н. Величина g-фактора

существенно зависит от типа связи электронов в атоме (LS- или jj-тип) и в случае чистой

LS-связи равна

= .

Известно, что переходы между уровнями в атомах подчиняются правилам отбора: . Эти правила относятся к наиболее вероятному электродипольному типу переходов. Другие типы переходов, с другими правилами отбора, возможны, но их вероятность значительно меньше. Переходы с  называются π-компонентами, а с    – -компонентами. Зеемановские компоненты спектральной линии поляризованы. Характер поляризации зависит от направления наблюдения. При наблюдении перпендикулярно магнитному полю поляризация линейна, при этом π-компоненты поляризованы по полю, а σ-компоненты перпендикулярно направлению поля. Вдоль поля π‑компоненты не наблюдаются, поскольку колеблющийся диполь вдоль направления своих колебаний не излучает, а σ-компоненты циркулярно поляризованы (рис. 1).

Рис.1. Характер поляризации света при наблюдении эффекта Зеемана

В данной работе для наблюдения эффекта Зеемана выбрана красная линия кадмия Cd c длиной волны  6438 Å. Эта линия соответствует атомному переходу 5¹P₁ – 6¹D₂. Здесь для описания терма приняты обозначения , главное квантовое число (номер  электронной оболочки в атоме 1, 2, …),  суммарный спиновый момент (0, 1/2, 1…), орбитальный момент (S, P, D…), полный момент состояния (J = |L-S|,.., |L+S|). Для выбранного перехода 0 и , следовательно, g-фактор начального и конечного состояния одинаков и равен 1. В совокупности с правилами отбора это приводит к тому, что линия, соответствующая рассматриваемому переходу, расщепляется в магнитном поле на 3 компоненты, причем π-компонента остается несмещенной. Такая упрощенная картина расщепления линии в магнитном поле называется простым эффектом Зеемана. В случае, когда g-факторы уровней, между которыми происходит переход, не равны и полный механический момент Jне равен 0, картина заметно усложняется. В этом случае говорят о сложном (аномальном) эффекте Зеемана.

Величина зеемановского расщепления невелика и линейно связана с напряженностью магнитного поля:, т. е. при  6438  и  5 кГс, .

Поэтому наблюдение этого эффекта возможно только в спектральных приборах с высокой разрешающей силой. В качестве такого прибора в лабораторной работе используется интерферометр Фабри–Перо.

Оптическая система наблюдения

На рис. 2, 3 приведены оптическая схема наблюдения эффекта Зеемана в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля и зарегистрированная видеокамерой интерференционная картина.

Основной элемент рассмотренной оптической схемы – это интерферометр Фабри–Перо, который обычно состоит из двух кварцевых или стеклянных пластин, установленных параллельно друг другу с очень высокой точностью. Для того чтобы интерферометр правильно работал, его надо освещать светом с очень узким спектральным диапазоном, имеющим практически плоский волновой фронт. Узость спектрального диапазона источника обеспечивается фильтром и ограничивается областью свободной дисперсии используемого интерферометра Фабри–Перо. Плоский волновой фронт на входе в интерферометр формируется с помощью конденсорной линзы, в фокальной плоскости которой размещается источник света. По ходу луча, после интерферометра, установлен объектив, который строит изображение интерференционной картины в своей фокальной плоскости, где находится светочувствительный элемент телекамеры – ПЗС-матрица. При визуальном наблюдении эффекта необходимо установить в рабочее положение поворотное зеркало, которое отражает выходящий из интерферометра свет в зрительную трубу.

Порядок выполнения работы

Включение кадмиевой лампы

·  Установите  ручку ЛАТРа в нулевое положение (ручка до упора против часовой стрелки).

·  Включите пускатель лампы.