Изучение эффекта Зеемана на лабораторной установке

Нормальный эффект Зеемана изучается на длине волны λ=579,066 нм, излучающий переход 6¹D₂ → 6¹P₁ . Так как переход осуществляется между синглетными уровнями, в магнитном поле мы наблюдаем расщепление, соответствующее простому эффекту Зеемана, схема расщепления которого показана на рис. 4.2. Спектрограммы, получаемые в данном эксперименте на лабораторной установке в отсутствие поля и при наличие магнитного поля, показаны на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Спектрограмма линии 579,066 нм в отсутствие поля В=0 а); Зеемановское расщепление той же линии при поле 1 Тл б)

В отсутствие поля на спектрограмме наблюдается размытый широкий пик, с центром λ=579,066 нм. При включении магнитного поля появляются три пика, соответствующие Зеемановскому расщеплению. Рассчитав графически положения этих пиков на спектрограмме и оценив экспериментальное смещение δω₀=ω`-ω₀ относительно несмещенной линии ω₀ можно определить по формуле (4.8) значение магнетона бора μ_Б, а затем, согласно (2.4) рассчитать удельный заряд электрона. При работе с длинами волн, следует учитывать, что и при расчетах следует пользоваться формулой (3.9) для лоренцевого смещения.

Аномальный эффект Зеемана наблюдается на зеленой линии ртути длиной волны 546,074 нм, формируемой переходами 7³S₁→ 6³P₂.

В слабом магнитном поле верхний уровень расщепляется на 3 подуровня, нижний на 5 подуровней в соответствии с квантовым числом m_j проекции момента импульса атома. Схема расщепления в данном случае и возможные переходы с учетом правил отбора показаны на рис. 5.3. Переход m_j=0 → m_j=0 соответствует несмещенной линии λ₀ =546,074 нм.

Рис. 5.3. Схема перехода 73S1→ 63P2 зеленой линии ртути 546,074 нм в отсутствие магнитного поля а); расщепление энергетических уровней в слабом магнитном поле б).

б)

а)

Таким образом, с учетом правил отбора (4.3) получаем 9 компонент. Формула (4.6) и диаграмма переходов рис. 5.3 б) позволяет теоретически рассчитать положение зеемановских компонент относительно несмещенной линии и сравнить их положение с экспериментально наблюдаемыми на спектрограмме пиками. Экспериментальное смещение того или иного компонента будет определяться как Δλ₀=λ`-λ<sub>0</sub> , где λ<sub>0</sub> - несмещенная линия, соответствующая переходу m<sub>j</sub>=0 → m<sub>j</sub>=0, λ` - положение данного пика на спектрограмме. Теоретически даваемый результат получается из формулы (4.6) с заменой :

(5.1)

где m2, m1 – квантовые числа m_j соответственно верхнего 7³S₁ и нижнего 6³P₂ уровней, которые, согласно диаграмме рис. 5.3 б) могут принимать значения m2={1,0,-1}, m1={2,1,0,-1,-2}; g2=2, g1= - факторы Ланде соответственно верхнего и нижнего уровней.

Формула (5.1) также позволяет из эксперимента рассчитать значение магнетона Бора μ_Б, а затем, согласно (2.4 ) рассчитать удельный заряд электрона.

Спектрограммы для зеленой линии ртути 546,074 нм, получаемые на учебном приборе в отсутствие поля и при приложении слабого магнитного поля, представлены на рис. 5.4

Рис. 5.4. Спектрограмма зеленой линии ртути 546,074 нм в отсутствие поля В=0 а); сложный эффект Зеемана для той же линии при поле 0,7 Тл б).