Курсовая теория на тему Экспериментальное определение энергетических спектров атомов.

Содержание:

Введение 3
Глава 1 Теоретические основы экспериментального определения энергетических спектров атомов 5
1.1. Понятие «энергетический спектр атома» 5
1.2. Эффект Зеемана 14
1.3. Эффект Штарка 17
1.4. Спектральный анализ 23
Заключение 26
Список литературы 27

Введение:

Раздел курса общей физики «Атомная физика» вследствие сложности используемых экспериментальных методов не может быть обеспечен достаточным числом лекционных демонстраций. Поэтому в данной работе студентов в атомном практикуме необходимо обращать особое внимание. В данной работе имеет возможность впервые соприкоснуться с основными явлениями и экспериментами, в которых проявляются квантовые свойства атомов.
Большинство наших сведений о структуре атомов и молекул получено в результате спектроскопических исследований. Таким образом, спектроскопия внесла выдающийся вклад в современный уровень понимания атомной и молекулярной физики. Информация о структуре атомов, молекул и их взаимодействии с окружающей средой можно получить различными способами из спектров поглощения или испускания, возникающих в результате взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.
Измерения длин волн спектральных линий позволяют определить уровни энергии атомной или молекулярной системы. Интенсивность линии пропорциональна вероятности перехода, которая является мерой того, насколько сильно связаны два уровня атомного (молекулярного) перехода. Специальными методами высокого разрешения можно измерить естественную ширину спектральной линии, что позволяет определить средние времена жизни возбужденных атомных (молекулярных) состояний. Измерения доплеровских профилей линий дают распределение скоростей излучающих или поглощающих атомов (молекул) и температуры исследуемого объекта. Информацию о столкновительных процессах и межатомных потенциалах можно извлечь из уширения и сдвига спектральных линий. Зеемановское и штарковское расщепления во внешних магнитных или электрических полях дают важный способ измерения магнитных или электрических моментов и выяснения типа связи различных угловых моментов в атомах и молекулах даже в случаях сложных электронных конфигураций. Сверхтонкая структура линий дает информацию о взаимодействии между ядрами и электронным облаком и позволяет определять магнитные дипольные и электрические квадрупольные моменты ядер.
В связи со сказанным, в атомном практикуме в основном лабораторные работы связаны с изучением атомных и молекулярных спектров.
Цель исследования: теоретически рассмотреть, как экспериментально можно определить энергетические спектры атомов.
Объект исследования: атомная физика
Предмет исследования: определение энергетических спектров атомов.
Задачи исследования:
1. Изучить понятие «энергетический спектр атома»;
2. Рассмотреть эффект Зеемана и Штарка;
3. Выявить в чем заключается спектральный анализ.
Методы исследования: анализ, синтез, обобщенье.

Заключение:

Проведенное исследование позволило выявить:
1. Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы. Энергетический спектр состоит из возможных энергетических уровней квантовой системы, то есть энергий квантовых состояний этой системы.
2. Энергетический спектр атома зависит от его структуры, а число электронов, обладающих данной энергией, называется населенностью уровня.
3. В исследовании были рассмотрены эффект Зеемана и Штарка.
4. В настоящее время применяют лазерные методы возбуждения спектров. С их помощью можно изучать спектры твердых, жидких и газообразных тел. Это уже активная спектроскопия, которая может использовать не только возбуждение всего спектра, но, при резонансном воздействии, отдельные участки спектров, и даже отдельные спектральные линии. С этой целью используют лазеры «на красителях», частота излучения которых может перестраиваться в широких пределах. Есть и другие системы перестраиваемых по частоте лазеров.
5. Физическая природа появления спектров объясняется наличием энергетических уровней. При этом нужно отметить, что из-за нестабильности возбужденных состояний каждый уровень (а значит, и каждая спектральная линия) имеет некоторую естественную ширину, определяемую временем жизни возбужденного состояния.

Фрагмент текста работы:

Глава 1 Теоретические основы экспериментального определения энергетических спектров атомов

1.1. Понятие «энергетический спектр атома»
Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы. Энергетический спектр состоит из возможных энергетических уровней квантовой системы, то есть энергий квантовых состояний этой системы.
Энергетический спектр атома зависит от его структуры, а число электронов, обладающих данной энергией, называется населенностью уровня.
Одним из недостатков полуклассической теории Бора была полная неприменимость к атомам, более сложным, чем атом водорода. Ни атом гелия, ни другие атомы, ни простейшие молекулы не имеют энергетических спектров, похожих на спектр (а.1.4). Вначале провели экспериментальную классификацию спектров сложных атомов. Были обнаружены закономерности, позволившие выделить спектральные серии, объединяющие разрешенные переходы в определенные группы. Серии получили специфические обозначения s, p, d, f(сокращенные обозначения названий sharp, principal, diffuse, fundamental, то есть резкая, главная, диффузная, фундаментальная серия). Эти серии относятся, как было выяснено позже, к состояниям с различными значениями момента импульса. Момент импульса в данном случае принято называть орбитальным моментом и обозначать квантовым числом . Допустимые значения равны , где – главное квантовое число, появившееся в формулах (а.1.3), (а.1.4). Было установлено также, что переходы с испусканием или поглощением фотонов разрешены только в тех случаях, когда изменение орбитального момента происходит на единицу,
. (а.2.1)
Самое нижнее энергетическое состояние атома называется основным, остальные – это возбужденные состояния. Имеются возбужденные состояния, в которых электрон находится заметно большее время, чем в обычных возбужденных состояниях. Такие состояния называются метастабильными. Они могут распадаться, например, с одновременным испусканием двух фотонов, или при столкновении возбужденного атома с другим атомом.
Система как целое имеет три степени свободы. В квантовой механике этому соответствует требование указывать для описания состояния системы три квантовых числа. Обычно это главное квантовое число , орбитальное или азимутальное квантовое число и магнитное квантовое число (оно играет важную роль в теории эффекта Зеемана). Четвертое квантовое число не имеет классического аналога и называется спиновым квантовым числом . Необходимо отметить, что можно использовать и другие комбинации квантовых чисел, но смысл чисел обычно сохраняется.