Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Порядок проведения эксперимента

Читайте также:
  1. I.РЕГЛАМЕНТ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКЗАМЕНА
  2. II. Порядок заповнення граф декларації громадянином
  3. II. Порядок и условия предоставления целевого жилищного займа для приобретения жилого помещения (жилых помещений) под залог приобретаемого жилого помещения (жилых помещений)
  4. II. Порядок поставки
  5. II. Порядок формирования экспертных групп, организация экспертизы заявленных на Конкурс проектов и регламент работы Конкурсной комиссии
  6. II. Условия проведения Конкурса
  7. II. Формы проведения ГИА

Таблица 1

Общие формулы для относительных интенсивностей состав­ляющих зеемановского расщепления.

Переход J®J-1 J®J

При поперечном наблюдении

MJ® (MJ-1) 1/4(J+MJ)(J+MJ-1) ¼(J+MJ)(J-MJ+1)
MJ® MJ (J+MJ)(J-MJ) MJ2
MJ® (MJ+1) 1/4(J-MJ)(J-MJ-1) 1/4(J-MJ)(J+MJ+1)

При продольном наблюдении

MJ® (MJ-1) 1/2(J+MJ)(J+MJ-1) 1/2(J+MJ)(J+MJ+1)
MJ® MJ    
MJ® (MJ+1) 1/2(J-MJ)(J-MJ-1) 1/2(J-MJ)(J-MJ+1)

 

В соответствии с квантовой теорией и с учетом спина электрона простой эффект Зеемана получается в слабом магнитном поле лишь в некоторых вполне определенных частных случаях.

1. При переходах между одиночными уровнями, когда излучаются или поглощаются одиночные «синглетные» спектральные линии. В этом случае суммарный спин электронов атома = 0, полный механический момент количества движения атома является чисто орбитальным = , и для всех одиночных линий множитель Ланде, определяемый выражением (14), gJ = 1. С учетом правила отбора для магнитного квантового числа (15) для величины расщепления спектральных линий получим формулу (7); при Н ¹ 0 в магнитном поле излучаемая линия расщепляется на три линии: несмещенную n0 (ей соответствует DMJ = 0) и две симметрично смещенные (DMJ = ± 1), что полностью совпадает с выводами электронной теории (т. е. имеем нормальное расщепление DnL = mBH).

2. При переходе между уровнями, для которых полный орбитальный момент количества движения равен нулю, т.е. = 0. В этом случае полный момент электронной оболочки атома является чисто спиновым, т.е. = . Для всех таких уровней множитель Ланде gJ = 2. Получаются зеемановские триплеты с расщеплением Dn = 2DnL, вдвое превышающим нормальное.

3. При переходе между уровнями с J = 1 и J = 0. Второй уровень не расщепляется (MJ = 0), а первый расщепляется на три подуровня с MJ = 0, ±1. Спектральная линия расщепляется на три компоненты, давая зеемановский триплет с расщеплением DnL = gJmBH, где множитель gJ относится к уровню с J = 1.

В данной работе изучается зеемановское расщепление на синглетных линиях атомов с двумя оптическими валентными электронами у элемента кадмия ¾ простой эффект Зеемана.

Магнитное расщепление уровней энергии с двумя оптическими валентными электронами в слабом магнитном поле (синглеты и триплеты кадмия).

А. Расщепление синглетной спектральной линии с сериальным символом n = ¾ 1D2. Для каждого терма в отдельности имеем:

для 1P1 S = 0, L = 1, J = 1, gJ = 1, MJ = 0, ±1,

для 1D2 S = 0, L = 2, J = 2, gJ = 1, MJ = 0, ±1, ±2.

Уровень 1Р1 в магнитном поле расщепляется на (2 J +1) = 3 эквидистантных подуровня, уровень 1D1 ¾ соответственно на 5 равноотстоящих уровней. Согласно правилам отбора DL =1, DS = 0, DJ = 0, ±1, DMJ = 0, ±1, синглетные спектральные линии с сериальным символом n = ¾ 1D2 расщепляются на три компоненты: при DMJ = 0 получаются несмещенные линии n0, а при DMJ = ±1 ¾ две s -компоненты, расстояния между которыми вычисляется по формуле (7), что полностью совпадает с выводами электронной теории. Разрешенные переходы записываются в виде схемы:

Как видно из приведенной схемы, для p -составляющей DnL = 0; для s -составляющих Dn = ± DnL.

Интерферометр Фабри-Перо. Интерферометр Фабри-Перо, является прибором для получения высокого разрешения в спектре. Его действие основано на прохождении света между двумя плоскопараллельными светоделительными поверхностями. Интерферометр может быть выполнен в виде плоскопараллельной стеклянной или кварцевой пластинки, на обе стороны которой нанесены светоделительные отражающие слои, либо в виде двух плоских полупрозрачных зеркал, расположенных параллельно друг другу и разделенных воздушным промежутком.

Расшифровка интерферограмм. Для расшифровки полученной интерферограммы нужно воспользоваться выражением для разности хода. В общем случае полная разность хода двух соседних лучей определяется выражением

. (19)

Если между зеркалами интерферометра находится плоскопараллельный воздушный слой, показатель преломления n = 1.

Объектив О с фокусным расстоянием f, установленный после интерферометра, собирает все лучи, вышедшие под некоторым углом q, в одну точку Pq. Если при этом азимут падающих лучей меняется от 0 до 2p, вместо точки возникает светлое кольцо радиуса Rq (диаметра Dq), соответствующее интерференционному максимуму порядка q. Если же интерферометр Фабри-Перо освещается протяженным источником монохроматического света или сходящимся световым пучком, на него падают лучи под различными углами. Однако только в направлениях qq, qq+1, qq+2,…, для которых q ¾ целое число, наблюдаются светлые интерференционные кольца. Радиусы их зависят от угла q и фокусного расстояния f проектирующей системы. Из рис. 2 следует, что

(20)

где Rq и Dq ¾ соответственно радиус и диаметр интерференционного кольца q-го порядка. Условие максимума интерференции можно представить через геометрические размеры колец в виде

(21)

Эта формула служит основой для расчета интерференционной картины.

 

Рис. 2. Образование интерференционных колец в фокальной

плоскости проектирующего объектива:

ФП ¾ интерферометр Фабри-Перо; О ¾ ахроматический объектив;

Pq ¾ фокальная плоскость объектива.

 

Эталон Фабри-Перо ¾ спектральный прибор, поэтому нужно установить порядок расположения интерференционных колец в зависимости от изменения длины волны в пределах l, l+Dl (или волнового числа в пределах ) для определения кольца q -го порядка, а также последовательность расположения колец на интерферограмме для определенной длины волны l в зависимости от угла q. Продифференцировав (21) по l при переменных R и D для постоянного q, имеем

Из приведенных соотношений следует, что при увеличении длины световой волны l (или уменьшении волнового числа ) система интерференционных колец сужается к центру и, наоборот, при уменьшении l (или возрастании ) происходит расширение колец. Таким образом, если интерферометр Фабри-Перо освещается не строго монохроматическим светом, спектр которого состоит из нескольких тесно расположенных компонент различной длины волны, то при постоянных f и L для данного интерферометра в области радиуса Rq кольца q -го порядка, соответствующие более коротким волнам, будут располагаться ближе друг к другу, чем кольца, отвечающие более длинным волнам. Коротковолновым компонентам соответствуют большие радиусы (и диаметры), и, наоборот, длинноволновые компоненты располагаются ближе к центру ¾ им соответствуют меньшие радиусы.

Продифференцировав (21) при постоянной длине волны l (или ), получим взаимную связь между изменением порядка q на единицу и изменением радиуса или диаметра интерференционного кольца на DR и DD. Для Dq = -1 соответственно DR = f2l/2LRq; DD = f2l/4LDq. Таким образом, порядок интерференционных колец уменьшается с увеличением угла падения q или с увеличением радиуса Rq (диаметра Dq) кольца. Центральному кольцу всегда отвечает максимальный порядок интерференции. По мере удаления от центра интерференционной картины кольца располагаются теснее друг к другу. Согласно (21), порядок q есть квадратичная функция радиуса R, т. е. Равным приращениям порядка соответствуют равные приращения величины R2 (или D2). Это значит, что разность величин R2 (или D2) для последовательности колец есть величина постоянная:

В действительности для радиуса самого внутреннего кольца q -го порядка , для соседнего кольца (q-1)-го порядка . Из этого следует, что величины и образуют арифметическую прогрессию с общей разностью

где k > i ¾ указывающие номер кольца от центрального интерференционного кольца. Отсюда можно вывести основные расчетные формулы для определения длины световой волны

(22)

Для колец двух соседних порядков q и (q - 1) формула (22) примет вид

(23)

Надо иметь в виду, что измерение длины волны по формуле (22) точнее, так как соседние кольца не используются.

 

Рис. 3. Расшифровка интерференционного спектра для

симметричных центральных колец.

 

В спектроскопии параметры световой волны выражаются в волновых числах, поэтому укажем прием, который позволяет непосредственно вычислять разность волновых чисел компонент спектральных линий. Пусть исследуемая область спектра состоит из нескольких близко расположенных друг к другу компонент a, b, c,…, причем спектральный интервал всех компонент меньше свободной области Dl интерферометра Фабри-Перо, т.е. нет переналожения систем колец соседних порядков друг на друга (рис. 3).

Обозначим длины волн компонент a, b, c соответственно через la, lb, lc, а волновые числа ¾ соответственно через Имеем , , (или , , ). Тогда условие максимума интерференции в q -том порядке для длины волны la и lb соответственно будет . Составляя разность, получим . Пользуясь известной тригонометрической формулой, имеем Для малых углов синусы можно заменить самими углами, тогда , откуда . Величина должна оставаться строго постоянной для любого номера кольца, поэтому измеряя ее для различных порядков интерференции и беря среднее значение, можно определить с большой степенью точности. Вводя , , получим расчетную формулу для разности

. (24)

При использовании формулы (24) точность измерения фокусного расстояния камерного объектива f должна быть такого же порядка, что и точность измерения остальных величин l, Da и Db. В частности, для определения f с требуемой точностью можно пользоваться расчетной формулой (22), если предварительно известны величины l, Dq-k, Dq-i и L.

Описание установки. Работа выполняется на установке, оптическая схема которой приведена на рис. 4. Установка позволяет наблюдать и исследовать расщепление спектральных линий в поперечном к вектору полянаправлении. Исследования производятся на спектральной линии кадмия l = 6438,47 Å, дающей простой эффект Зеемана. Для изучения сложного эффекта Зеемана используется натриевая лампа. Установка позволяет исследовать магнитное расщепление на линиях натрия с l1 = 5889.963 Å и l2 = 5895,930 Å. Для получения указанных линий используются спектральные лампы, серийно выпускаемые нашей промышленностью. Их разрядные трубки изготовлены из стекла, не взаимодействующего с атомами металла. Они наполнены парами соответствующих металлов и инертным газом аргоном. Внешняя колба снабжена нормальным резьбовым цоколем Р-27. Лампы предназначены для эксплуатации в сетях переменного тока с напряжением 220 В и частотой 50 Гц с соответствующими приборами включения (дросселями или реостатами). В течение первых 7-10 минут после включения электрические и световые параметры их изменяются, а затем при неизменном значении сети принимают постоянные значения. Электрические параметры лампы при установившемся режиме указаны в соответствующих паспортах Нормальное положение лампы ¾ вертикальное.

 

 

Рис. 4. Оптическая схема установки

1 ¾ спектральная лампа, 2 ¾ линза, З ¾ анализатор, 4 ¾ светофильтр; 5 ¾ интерферометр Фабри-Перо, 6 ¾ поворотное зеркало, 7 ¾ объектив, 8 ¾ окуляр, 9,10 ¾ объективы камеры, 11 ¾ фотопленка, 12 ¾ обмотки электромагнита.

 

Источник света, представленный в виде кадмиевой (ДКдС-20) или натриевой (ДНаС-18) лампы располагается между полюсами электромагнита. Величина постоянного тока, протекающего через обмотки электромагнита контролируется амперметром. Максимальная величина тока не должна превышать 5 А. Ток через электромагнит необходимо включать и выключать при полностью выведенной ручке регулятора напряжения. В противном случае возможен пробой обкладок электромагнита. Свет от источника 1 проходит через собирающую линзу 2 и сходящимся пучком падает на анализатор 3;

сразу после него установлен узкополосньй светофильтр 4, за которым установлен эталон Фабри-Перо. После эталона интерференционная картина может наблюдаться и подстраиваться с помощью поворотной трубы, состоящей из поворотного зеркала 6, объектива 7 и окуляра 8, или с помощью камеры фотографироваться на фотопленку. Поляризатором света является магнитное поле. Анализатор 4 нужен для поляризационных измерений, а точнее для выделения s - и p -компонент расщепления.

Примечание 1. Из-за сильного нагревания электромагнит следует включать только на период наблюдения и фотографирования картины расщепления. Время работы спектральных ламп тоже ограничено.

Примечание 2. Газоразрядная лампа ДКдС20 излучает в ультрафиолетовом диапазоне, поэтому без защитных очков на лампу в рабочем состоянии долго смотреть не рекомендуется.

 

Порядок проведения эксперимента

 

1. Включить источник питания лампы и источник питания электро­магнита в сеть.

2. Дать лампе прогреться 7-10 минут до ровного и яркого свечения.

3. Наблюдая интерференционные кольца в зрительную трубу, добиться их четкого изображения с помощью подстроечных винтов интерферометра Фабри-Перо.

4. Убедиться что ручка регулятора тока электромагнита повернута 6 нулевое положение.

5. Включить электромагнит и проверить наличие расщепления линий в магнитном поле (максимальный ток электромагнита 5 А). Если кольца видны не четко, то с помощью микрометрических винтов на интерферометре добиться четкой картины.

6. Убрать зрительную трубу и проверить правильное диаметральное расположение колец в отверстии диафрагмы камеры. Если кольца смещены, с помощью поворотных винтов основания интерферометра добиться их нормального положения.

7. Сфотографировать интерферограммы при заданных значениях индукции магнитного поля.

8. Убрать напряжение с обмоток электромагнита и отключить его.

9. Отключить спектральную лампу.

 

Задания.

Упражнение 1. Изобразить схему расщепления уровней для линий Сd (l =6438,47 Å), Nа, (l1 =5889,963 Å и l2 =5895,930 Å), рассчитать Dn в единицах mBB/h.

Упражнение 2. Сфотографировать интерферограммы линий Сd или Nа без магнитного поля, и при 3-4 различных значениях индукции магнитного поля Обработать полученный фотоматериал согласно рекомендуемой в лаборатории технологии.

Упражнение 3. По полученному фотоснимку рассчитать длины воли основных и расщепленных линий, соответствующие разным значениям индукции магнитного поля. Обработка результатов проводится на компараторе ИЗА-2. Результаты представляют в виде графика зависимости расщепления спектральной линии от величины приложенного магнитного поля Dn=f(H).

Упражнение 4. Используя результаты измерений расщепления спектральных линий эффекта Зеемана и считая известной величину магнитного поля, рассчитать отношение e/me по формуле (17). Оценить точность измерений, результаты сравнить со справочными данными.

Упражнение 5. Считая известной величину отношения e/me, рассчитать величину индукции магнитного поля, в котором находилась лампа. Результаты сравнить с действительной величиной.

Упражнение 6. Определить распределение интенсивностей между расщепленными компонентами и построить спектральный контур. Для этого снять на установке для эффекта Зеемана в отсутствии анализатора два снимка - при отсутствии магнитного поля и при максимально допустимом для данного типа лампы магнитном поле. Распределение интенсивностей в логарифмическом масштабе записывается на регистрирующем микрофотометре. Для получения действительного распределения от логарифмического масштаба перейти к линейному. Результаты представить в виде графика.

 

Литература

 

Атомный практикум/Под ред. Г. И. Горяги. М.: Изд-во МГУ, 1970.

Горяга Г. И. Лекции по атомной физике Ч. II. М.: Изд-во МГУ, 1977.

Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М.: Физматгиз, 1962.

Кондратьев В. Н. Структура атомов и молекул. М.: Физматгиз, 1959.

Ландсберг Г. С. Оптика. М.: Высшая школа, 1976.

Фриш С. Э. Оптические спектры атомов. М.: Физматгиз, 1963.

Шпольский Э. В. Атиомная физика. М.: Физматгиз, 1964.

 


Дата добавления: 2015-12-08; просмотров: 66 | Нарушение авторских прав



mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.019 сек.)