voeto.ru страница 1
скачать файл

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6.

АТОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ.
СОДЕРЖАНИЕ.
Атом в магнитном поле.
Физика явления.


  • Слабое поле.

  • Сильное поле.


Работа с программой.
Отчет.
Литература.

Атом в магнитном поле.
Назначение программы.

Изучение эффекта Зеемана в слабом и сильном магнитном полях. Предлагается установить различия в спектрах и структуре уровней одноэлектронных и двух электронных атомов в слабом и сильном магнитных полях, провести расчет зеемановского расщепления в слабом и сильном полях.


Физика явления.

Если источник излучения поместить в однородное магнитное поле, то уровни энергии атомов расщепляются на ряд подуровней и спектр излучения атомов изменяется. Каждая линия в оптической части спектра расщепляется на несколько компонент. Это явление называется эффектом Зеемана.

Рассмотрим некоторые особенности поведения атомов в однородном магнитном поле на основе векторной модели атома.

В отсутствии магнитного поля векторы орбитального и спинового моментов количества движения прецессируют вокруг полного момента количества движения . При помещении атома в постоянное однородное магнитное поле характер взаимодействия атома с полем будет различным в зависимости от того, является ли магнитное поле «слабым» или «сильным».

В слабом поле энергия взаимодействия орбитального и спинового моментов между собой (энергия спин-орбитального взаимодействия ) значительно больше энергии их взаимодействия с магнитным полем, имеющий порядок величины

>> (1)

(магнетон Бора, напряженность магнитного поля).

Другими словами, в слабом поле зеемановское расщепление (уровней, линий) значительно меньше естественного мультиплетного расщепления. В слабом магнитном поле вектор прецессирует вокруг направления магнитного поля . Его проекция на направление магнитного поля сохраняется. Частота этой прецессии значительно меньше, чем частота прецессии и вокруг .

В противоположном случае сильного поля



(2)

связь разрывается и векторы и прецессирует вокруг независимо. Вектор не сохраняется.

Под промежуточными магнитными полями подразумеваются поля, напряженность которых лежит между ее значениями для сильного и слабого полей. В промежуточных полях не сохраняется ни один из моментов количества движения


Слабое поле. В слабом поле энергия атома изменяется на величину, равную энергии взаимодействия полного магнитного момента атома с полем .

(3)

где фактор Ланде



(4)

квантовые числа, соответственно орбитальное, спиновое и полного момента количества движения,

магнитное квантовое число.

всего значений. (5)

Для (состояния) .

Для (синглеты, состояние определяется только орбитальным моментом) .

Аналогично определяются орбитальное и спиновое магнитные квантовые числа.



значений (6)

значений (7)

Из формулы (3) видно, что при помещении атома в магнитное поле происходит расщепление уровня энергии на зеемановских подуровней. В спектре излучения появляются дополнительные (зеемановские) компоненты. Вычислим частоты, излучаемые атомом в магнитном поле:



где


энергия уровней атома при

- дополнительные энергии, приобретаемые атомом в магнитном поле.

,

- частота излучения в отсутствие магнитного поля.

Зеемановское расщепление определяется формулой:



, (8)

или, в волновых числах ,



. (9)

Спектральные переходы возможны только между подуровнями, магнитные квантовые числа которые подчиняются правилам отбора



.

Различают простой и сложный эффекты Зеемана. Простой эффект может быть получен при как частный случай более общего (сложного) эффекта Зеемана (взаимодействие только орбитального момента с полем). Тогда и



0, (11)

или


,

т.е. для синглетных линий в магнитном поле наблюдается не более трех компонент.

Поляризация компонент зеемановского расщепления определяется правилами отбора по . Для линии, у которых в продольном поле наблюдается круговая поляризация (компоненты), линии с линейно поляризованы вдоль поля (компоненты). Отсюда ясно, что при изменении направления наблюдения будет изменяться и поляризация зеемановских компонент.

Сильное поле. Эффект Зеемана в сильном поле называется также эффектом Пашена-Бака. В сильном поле при связь разрывается, вектор не сохраняется и вектор и прецессируют вокруг независимо. В первом приближении (при пренебрежении остаточной связью) энергия атома в магнитном поле

(12)

и - орбитальный и спиновой магнитные моменты атома, - энергия центра тяжести мультиплета. Частоты, излучаемые атомом в магнитном поле, определяются из уравнения

.

Зеемановское расщепление



0,

так как

Или, в волновых числах

0,

Результат совпадает с полученным выше для простого эффекта Зеемана.

Более точный расчет требует учета остаточного взаимодействия, что приводит к появлению тонкой структуры зеемановских компонент. Величина ее значительно меньше расстояния между соседними компонентами расщепления, имеет порядок величины тонкой структуры и не зависит от напряженности магнитного поля.

В промежуточных полях не сохраняется ни один из моментов количества движения.


Работа с программой.
Содержание программы.
Программа сопровождается гипертекстом. Гипертекст и помощь по экрану вызываются клавишей F1. Активные клавиши располагаются в информационной строке в нижней части рабочего экрана.
Меню программы.
1. Введение.

2. Экспериментальная установка.

3. Расщепление линий в магнитном поле.

 Натрий. Линия

 Цинк. Линия

 Цинк. Линия

4. Слабое и сильное магнитные поля.

 Расщепление в магнитном поле.

 Прецессия моментов.

5. Эффект Зеемана в слабом магнитном поле. Задачи.

 Линии

 Линия

 Линия

6. Эффект Зеемана в сильном магнитном поле. Задача.

7. Поляризация зеемановских компонент (слабое поле).

8. Выход.


Содержание пунктов меню.
1. Введение. Ставится задача работы с программой в режиме гипертекста.

2. Экспериментальная установка. Предлагается разместить элементы экспериментальной установки для наблюдения эффекта Зеемана в продольном и поперечном полях. Элементы установки (магнит, источник излучения, спектрограф) размещаются пользователем на рабочем поле экрана.

3. Расщепление линий в поперечном магнитном поле. Рассматриваются характерные особенности эффекта Зеемана на примере элементов первой (натрий) и второй (цинк) групп периодической системы элементов. На экране представлена спектрограмма, позволяющая наблюдать расщепление дублета натрия, а также триплета и синглета цинка в поперечном магнитном поле при изменении напряженности поля вплоть до сильных полей. Предусмотрен вывод отдельных компонент мультиплета в центр спектрограммы, сдвиг спектра вдоль оси волновых чисел , а также изменение масштаба.

4. Слабое и сильное магнитные поля. На основе наблюдений в предыдущем пункте меню предлагается ввести число компонент расщепления рассмотренных мультиплетов в слабом и сильном (без учета остаточного взаимодействия) магнитных полях. Определения слабого и сильного полей даются на схеме уровней энергии. Сравниваются величины естественного мультиплетного расщепления и расщепления в магнитном поле .



Показан также критерий слабого и сильного полей на примере прецессии полного , орбитального и спинового магнитных моментов вокруг направления напряженности магнитного поля . Рассматриваются также промежуточные (от слабого до сильного) магнитные поля. Имеются возможность изменения в требуемом интервале значений.

5. Эффект Зеемана в слабом магнитном поле. Задачи.

6. Эффект Зеемана в сильном магнитном поле. Задача.

7. Поляризация зеемановских компонент (слабое поле). Предлагается выбрать правила отбора по магнитному квантовому числу , определяющие появление и компонент в спектре атома, помещенного в слабое магнитное поле. Затем пользователь определяет какие (или ) компоненты он может увидеть в продольном и поперечном полях, а также их поляризацию в том и другом случае.

Далее предлагается на примере расщепления в магнитном поле конкретной линии атома Na оставить компоненты, наблюдающиеся в продольном магнитном поле (в поперечном магнитном поле поведение этой линии изучалось в п.3).

То же предлагается сделать для линии .
Литература.


  1. Э.В. Шпольский «Атомная физика» т.2., Наука 1984.

  2. Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в квантовую физику. - М.: Наука, 1988.

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

ОТЧЕТ.
Атом в магнитном поле.

Вариант №


Экспериментальная установка.

«Создать» экспериментальные установки для наблюдения эффекта Зеемана в продольном и поперечном магнитных полях.


Расщепление линий в поперечном магнитном поле.
 Натрий. Линия

Задание выполняется по вариантам. (Таблицу не переписывать.)




Номер варианта

Слабое поле H, Э

Сильное поле H, Э

H1, Э

H2, Э

H1, Э

H2, Э

1

3980

22300

2510000

28100000

2

4460

31600

2810000

22300000

3

5010

28100

3160000

19900000

4

5620

17700

3540000

17700000

5

6300

15800

3980000

25100000

6

7070

14100

4460000

79400000

7

7940

12500

5010000

89100000

8

8910

19900

5620000

10000000

9

10000

39800

6300000

12500000

10

11200

25100

7070000

15800000

Произвести наблюдения и измерить величину расщепления линий дублета натрия в поперечном магнитном поле. Рассчитать величину расщепления для каждой линии в слабом и сильном полях.






Слабое поле

Сильное поле

Число компонент

H1, Э

H2, Э

H1, Э

H2, Э

Слабое поле

Сильное поле













Величина расщепления каждой компоненты , см-1

Величина расщепления каждой компоненты , см-1

k1= , см-1



















k2= , см-1


















 Цинк. Линия

Задание выполняется по вариантам. (Таблицу не переписывать.)


Номер варианта

Слабое поле H, Э

Сильное поле H, Э

1

79400

6300000

2

89100

7070000

3

56200

7940000

4

35400

8910000

5

15800

1000000

6

17700

6300000

7

19900

7070000

8

22300

7940000

9

25100

8910000

10

31600

1000000

Произвести наблюдения и измерить величину расщепления линий триплета цинка в поперечном магнитном поле. Рассчитать величину расщепления для каждой линии в слабом и сильном полях.






Слабое поле

Сильное поле

Число компонент

H, Э

H, Э

Слабое поле

Сильное поле







Величина расщепления каждой компоненты , см-1

Величина расщепления каждой компоненты , см-1

k1= , см-1













k2= , см-1













k3= , см-1













 Цинк. Линия

Задание выполняется по вариантам. (Таблицу не переписывать.)


Номер варианта

H, Э

1

1990000

2

1770000

3

1410000

4

1120000

5

1000000

6

3160000

7

50100000

8

22300000

9

25100000

10

28100000

Произвести наблюдения и измерить величину расщепления линий синглета цинка в поперечном магнитном поле. Рассчитать величину расщепления линии.






H, Э

Число компонент




Величина расщепления компоненты , см-1

k= , см-1








Слабое и сильное магнитные поля.

 Расщепление в магнитном поле.





Число компонент


Синглет

Дублет

Триплет

Слабое поле










Сильное поле









 Прецессия моментов.


Эффект Зеемана в слабом магнитном поле. Задачи.


Линия

Расчет фактора Ланде g=




















 Линии



Задача. Рассчитайте число переходов между зеемановскими подуровнями линий и в слабом магнитном поле. Какой эффект Зеемана (простой, сложный) наблюдается на этих линиях?

Решение:
 Линия

Задача. Рассчитайте число переходов между зеемановскими подуровнями линии в слабом магнитном поле. Каков эффект Зеемана (простой, сложный) наблюдается на этой линии?

Решение:
 Линия

Задача. Рассчитайте число зеемановских компонент линии в слабом магнитном поле.

Решение:


Эффект Зеемана в сильном магнитном поле. Задача.
Задача. Рассчитайте число компонент расщепления уровней и в сильном магнитном поле, число переходов между зеемановскими подуровнями этих уровней, а также число компонент расщепления линии . Остаточным взаимодействием пренебречь.

Решение:
Поляризация зеемановских компонент (слабое поле).

Компонента




















Поле

Продольное

Поперечное

Наблюдаемая компонента







Поляризация -компоненты







Поляризация -компоненты








ПЕРЕЙТИ В НАЧАЛО ИНСТРУКЦИИ.
скачать файл



Смотрите также:
Лабораторная работа №6. Атом в магнитном поле. Содержание. Атом в магнитном поле. Физика явления. Слабое поле
146.58kb.
Исследование диссипативных процессов в втсп в низкочастотном магнитном поле
16.45kb.
Макаров Валентин Михайлович Традиционным направлением научных исследований на кафедре является синтез, изучение строения и свойств органических производных редкоземельных элементов. Второе направление исследование
55.23kb.
Лекция магнитооптические явления, Гиротропия
116.55kb.
1. Диэлектрики в электрическом поле и энергия электрического поля Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц
104.33kb.
Задача Где можно одновременно обнаружить и электрические и магнитные поля?
18.45kb.
[по имени амер физика И. А. Раби (I. I. Rabi)], резонансный метод исследования магн моментов ядер, атомов и молекул и внутримол вз-ствий в молекулярных и атомных пучках
2322.92kb.
Тематическое планирование 11 класс № Дата Тема урока Тип урока Содержание Знания, умения, навыки д\з
201.9kb.
Электростатическое поле. Поле точечного заряда. Принцип суперпозиции
94.28kb.
Настройка The Bat! Создание учетной записи
17.19kb.
Тема: Електричне поле. Електроскоп
33.71kb.
Из писем Наполеона I бонапарта к Жерому Бонапарту. 24 августа 1812 года
22.75kb.