Практическая часть. При помещении атома в слабое магнитное поле индукцией В, уровни энергии расщепляются, при этом расстояние между соседними подуровнями

При помещении атома в слабое магнитное поле индукцией В, уровни энергии расщепляются, при этом расстояние между соседними подуровнями

DE=g_Jm_БB

где m_Б = eħ /(2m_eс) - магнетон Бора, g_J- фактор Ланде, e - элементарный заряд, m_e - масса электрона. В отсутствие спина (нормальный эффект Зеемана):

g_J = 1; DE= m_БB = eħ В/(2m_eс)

Спектральные линии, соответствующие переходам между уровнями с нормальным расщеплением, расщепляются, с учетом правил отбора на три эквидистантные компоненты. Расстояние между соседними компонентами:

Dw₀ = (е/m)В/2;

Dl = (е/m)Bl²/(4pс).

Измерение этого расщепления позволяет определить удельный заряд электрона е/m. Табличное значение

е/m = 1, 76*10¹¹ Кл/кг.

В поле В= 0, 3 Тл получаем расщепление Dw = 2, 6*10¹⁰ с^-1, отношение Dw/w@ 10^-5. Для регистрации такого расщепления требуется прибор с высокой разрешающей силой (порядка 10⁵ –10⁶). В нашем случае используется интерферометр Фабри-Перо.

В излучении, распространяющемся вдоль направления магнитного поля, средняя компонента отсутствует, а две крайние имеют круговую поляризацию. В излучении, распространяющемся перпендикулярно направлению магнитного поля, средняя (несмещенная) компонента поляризована вдоль поля, а две крайние - перпендикулярно к нему. В данной установке реализуется второй случай. При этом с помощью поляризатора можно выделить только среднюю или только крайние компоненты.

Нормальный эффект Зеемана наблюдается на желтой линии ртути с длиной волны 579 нм (длинноволновая компонента желтого дублета).

ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО

При падении плоской волны на плоскопараллельную пластину (рис.1) условием максимума для интенсивности прошедшей волны и одновременно условием минимума для отраженной волны является

2dncos i^/ = lk, (*)

где d - толщина пластины, n - показатель преломления, l -длина волны излучения в вакууме, k - порядок интерференции, i^/ -угол падения волны в пластине, связанный с углом падения в вакууме законом преломления:

sini = n*sini^/.

Рис.1. Отражение и прохождение света через пластину.

Положение максимума зависит от длины волны l. Если коэффициент отражения волны от поверхности пластины близок к единице, угловая ширина максимумов весьма мала, что позволяет использовать пластину в качестве спектрального прибора. В дальнейшем все углы считаем малыми.

Угловое расстояние di между максимумами соседних порядков (значения k различаются на единицу) находим дифференцированием условия максимума:

2d*sin i*di = nl

При изменении длины волны на Dl максимум сместится на угол Di, который также находится дифференцированием условия максимума:

2d*sini*Di = knDl

Совместно с условием максимума, полагая cosi'@l, находим

Dl = (Di/di)*l²/(2dn).

При падении на пластину рассеянного света, в фокальной плоскости линзы, помещенной после пластины (рис.2), максимумы будут иметь вид колец, радиусы которых определяются соответствующими значениями угла i. Если пластина помещена перед объективом зрительной трубы, настроенной на наблюдение спектральной линии, то изображение спектральной линии " вырезает" из колец набор узких полос, соответствующих различным порядкам интерференции (поз. а на рис.2). При расщеплении спектра каждая полоска расщепляется на соответствующие компоненты, причем расстояние между компонентами относится к расстоянию между максимумами соседних порядков как Di/di. Это отношение и измеряется в эксперименте.

а. б.
Рис. 2. Схема наблюдения максимумов.

Толщина пластины измеряется микрометром (вблизи края пластины, чтобы не повредить отражающее покрытие в рабочей области), и приведена в перечне состава изделия. Для измерения показателя преломления используется лабораторный комплекс ЛКО-1, на котором собирается схема наблюдения интерференции в отраженном свете (рис. 3). На рисунке 3: S - точечный источник света (сфокусированное излучение лазера), П - пластина, Э - совмещенный с источником экран, на котором наблюдаются узкие темные интерференционные кольца, L - расстояние от источника и экрана до пластины. Радиусы г_к колец определяются все тем же условием (*). Расчет радиусов колец с учетом малости углов приводит к линейной зависимости r_k² от порядка интерференции k:

r_k²= const - k 4nlL²/d.

Пронумеровав последовательно все кольца, получим линейную зависимость r_N² от номера кольца N, при этом

Dr_N²/DN=4nlL²/d,

откуда

n = (Dr_N²/DN)d/(4lL²).

Измерения проводятся при длине волны излучения лазера l = 633 нм. Непосредственно измеряемые величины - диаметры колец D и расстояние L.

Рис. 3. Схема измерения параметров пластины.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Показатель преломления n = _____

ИЗМЕРЕНИЕ РАСЩЕПЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ

Установите в монохроматоре входную щель 0, 25 мм. Включите ртутную лампу и настройте систему на наблюдение желтой линии с длиной волны 579 нм. Установите интерферометр ИФП в держателе передней стойки трубы. Винтами настройки двухосевого держателя подберите наклон пластины интерферометра, при котором спектральная линия будет пересечена системой узких светлых полосок.