Báo cáo bài tập lớn giáo viên hướng dẫn chủ Đề tổng quan về hiệu Ứng zeeman

TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG ZEEMAN -Hiệu ứng Zeeman được quan sát lần đầu tiên vào năm 1896 bởi nhà vật lý người Hà Lan Pieter Zeeman khi làm thí nghiệm mở rộng đường D màu vàng của natri tron

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌCBÁCH KHOA TP.HCM KHOA KHOA HỌC & ỨNG DỤNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

CHỦ ĐỀ : Nhóm thực hiện: 1

Mục Lục

Lời nói đầu

1 Tổng quan về Hiệu ứng Zeeman

2 Nội dung đề tài

2.1 Thí nghiệm Zeeman

2.2 Hiệu ứng Zeeman thường

2.3 Hiệu ứng Zeeman dị thường

2.4 Hiệu ứng Paschen-Back

3 Kết luận

3.1 Ý nghĩa thực tiễn

3.2 Ứng dụng

4 Mục lục, tài liệu tham khảo

LỜI NÓI ĐẦU

Sau thời gian học tập môn Vật lý 2, nhóm em đã được học hỏi thêm rất nhiều kiến thức về trường điện từ, sóng ánh sáng, Trong đó, chương Cơ học lượng tử cho nhóm em biết thêm cách xác định năng lượng, hàm sóng của các hạt, cũng như ứng dụng của chúng trong thực tế Có một chủ đề trong chương Cơ học lượng tử mà nhóm em quan tâm là Hiệu ứng Zeeman Nó được sử dụng trong các ứng dụng như quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân , quang phổ cộng hưởng spin electron và chụp cộng hưởng từ (MRI) Đó cũng là chủ đề mà nhóm chúng

em đã được phân công và cùng nhau nghiên cứu

THÀNH VIÊN NHÓM

2 Trần Quang Khải

TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG ZEEMAN

-Hiệu ứng Zeeman được quan sát lần đầu tiên vào năm 1896 bởi nhà vật lý người

Hà Lan Pieter Zeeman khi làm thí nghiệm mở rộng đường D màu vàng của natri trong ngọn lửa được giữ giữa các cực từ mạnh Thí nghiệm đã cho kết quả là một

sự phân tách rõ rệt của các vạch quang phổ thành 15 phần

-Hiệu ứng Zeeman đã giúp các nhà vật lý xác định mức năng lượng trong các nguyên tử và xác định chúng theo mô men góc

-Hiệu ứng Zeeman có thể có hai chế độ :

+ Với trường yếu: có hiệu ứng Zeeman thường và dị thường

+ Với trường mạnh: có hiệu ứng Paschen-Back

- Hiệu ứng Zeeman “thường”, sở dĩ có tên gọi như vậy bởi vì nó phù hợp với lý thuyết cổ điển của Lorentz, đối với nguyên tử có spin bằng không

-Hiệu ứng Zeeman “dị thường” là nguyên nhân của các nguyên tử có spin khác không, và là kết quả của lý thuyết lượng tử phức tạp

NỘI DUNG

1 Thí nghiệm Zeeman:

- Ðặt một nguồn khí Hydrogen phát sáng vào giữa hai cực của một nam châm điện, nam châm điện tạo ra một từ trường mạnh

- Khi quan sát các bức xạ phát ra theo phương vuông góc với từ trường thì thấy mỗi vạch quang phổ của nguyên tử Hydrogen tách thành 3 vạch gần nhau

Hình 1: Thí nhiệm Zeeman với khí Hydrogen

 Khi nguyên tử Hydrogen đặt trong từ trường, năng lượng E’ của electron sẽ

có thêm năng lượng từ trường tác dụng và năng lượng này phụ thuộc vào số

lượng tử m: E '  E   E  E  zBz  E  m BBz (3)

-Trong đó E là năng lượng của electron khi nguyên tử Hydrogen không đặt trong

từ trường, do đó: B B z

h

m m h

E E

(4)

-Mà h v

E

E



 1

2

cho nên :

Z

B B h

m m v h

E E

' 1

' 2

(5) -Vì năng lượng còn phụ thuộc vào số lượng tử từ, cho nên khi chuyển trạng thái

nó còn phải tuân theo qui tắc lựa chọn đối với m đã được xác nhận trong cơ học lượng tử m0 , 1

-Tần số chỉ có thể có 3 giá trị: h

B v

v B z



 '

v  ' v

h

B v



 '

-Nghĩa là vạch quang phổ khi không có từ trường được tách thành 3 vạch khi có

từ trường trong đó vạch giữa trùng với với vạch cũ

2 Hiệu ứng Zeeman thường :

- Hiệu ứng Zeeman thường được quan sát thấy trong các nguyên tử có spin bằng không Spin toàn phần có một nguyên tử N-electron được cho bởi :

 

 i N Si

(6)

-Những lớp vỏ có đầy electron thì không đóng góp spin cho nguyên tử, vì vậy ta chỉ cần khảo sát những electron hóa trị ở lớp ngoài

- Mô-men từ của nguyên tử có S=0 xuất phát từ sự chuyển động tròn của nó:

L h

B 

 

  

(7)

Hình 2: Sự tách Zeeman thường của trang thái suy biến của một mức nguyên tử

với l=2 bởi trường ngoài

- Năng lượng tương tác của nguyên tử :

z B

m

E  



(8)

B

m

e



gọi là tỷ số từ hồi chuyển

) 2

(

e l B

l z

m

eh m





m là số lượng tử từ quỹ đạo (Vì có 2l+1 giá trị của m l nên mỗi một mức năng

lượng tách thành 2l+1 mức con)

-Sự phân cực của các vạch Zeeman được xác định từ quy tắc lọc lựa và các điều kiện của quan sát

m

Bảng 1: Kết quả hiệu ứng Zeeman thường

Hình 3: HIệu ứng Zeeman thường đối với dịch chuyển pd:

a) Trường ngoài làm tách các mức m bằng nhau b) Vạch phổ bị tách ra bộ 3 khi quan sát ngang

 Hiệu ứng Zeeman thường là sự phân tách các vạch phổ của phổ nguyên

tử do sự tương tác giữa từ trường bên ngoài và động lượng từ quỹ đạo. 3) Hiệu ứng Zeeman dị thường:

-Hiệu ứng Zeeman dị thường là sự phân tách các vạch phổ của phổ nguyên tử gây ra bởi sự tương tác giữa từ trường, thời điểm quỹ đạo kết hợp và từ trường nội tại Hiệu ứng này có thể được quan sát như một sự phân tách phức tạp của các vạch quang phổ

- Các vạch quang phổ được chia thành bốn vạch, sáu vạch, v.v Đôi khi khoảng cách giữa các vạch quang phổ rộng hơn dự kiến  Điều này xảy ra do ảnh hưởng của spin electron Vì sự quay tròn của các electron góp phần vào động lượng góc, việc phân tách trở nên phức tạp hơn

- Điều này xảy ra do ảnh hưởng của spin electron Vì sự quay tròn của các electron góp phần vào động lượng góc, việc phân tách trở nên phức tạp hơn

Hình 4: Hiệu ứng Zeeman ở các cường độ khác nhau của từ trường

4) Hiệu ứng Paschen-Back :

-Là sự phân chia các mức năng lượng nguyên tử với sự có mặt của từ trường mạnh Điều này xảy ra khi một từ trường bên ngoài đủ mạnh để phá vỡ khớp nối

giữa quỹ đạo (L)



và quay (S)



momen góc

-Hiệu ứng Paschen-Back được quan sát trong từ trường rất mạnh Điều kiện để quan sát được hiệu ứng Paschen-Back là tương tác của từ trường ngoài phải lớn hơn rất nhiều tương tác spin-quỹ đạo: z B z

-Trong hiệu ứng Paschen-Back, tương tác spin-quỹ đạo được giả sử là bỏ qua, còn L và S thì không còn liên kết với nhau Mỗi chuyển động tuế sai riêng rẽ quanh B, giống như phác họa trong hình 5

Hình 5: Chuyển động tuế sai của L và S quanh B trong hiệu ứng Paschen-Back

KẾT LUẬN

1) Ý nghĩa thực tế:

-Do khoảng cách giữa các cấp độ Zeeman là một hàm của cường độ từ trường, nên hiệu ứng này có thể được sử dụng để đo cường độ từ trường, ví dụ như của mặt trời và các ngôi sao khác hoặc trong các plasma trong phòng thí

nghiệm Nó cũng có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác trong quang phổ hấp thụ nguyên tử

2) Ứng dụng :

A) Vật lý thiên văn :

-George Ellery Hale là người đầu tiên nhận thấy hiệu ứng Zeeman trong quang

phổ mặt trời, cho thấy sự tồn tại của từ trường mạnh trong các vết đen mặt trời Các trường như vậy có thể khá cao, theo thứ tự 0,1 tesla hoặc cao hơn

-Ngày nay, hiệu ứng Zeeman được sử dụng để tạo ra các từ tính cho thấy sự biến đổi của từ trường trên mặt trời

B) Làm mát bằng lazer :

-Bẫy quang từ (MOT) là một thiết bị sử dụng làm mát bằng laser với bẫy quang

từ để tạo ra các mẫu nguyên tử lạnh, bị bẫy, trung tính ở nhiệt độ thấp tới vài microkelvins, gấp hai hoặc ba lần giới hạn giật

-Máy giảm tốc Zeeman là một thiết bị khoa học thường được sử dụng trong quang học lượng tử để làm mát chùm tia nguyên tử từ nhiệt độ phòng hoặc cao hơn đến một vài kelvins

Hình 7: Bây quang từ

Hình 8: Máy giảm tốc Zeeman

TÀI LIỆU THAM KHẢO

 https://www.britannica.com/science/Zeeman-effect

 https://en.wikipedia.org/wiki/Zeeman_effect?

fbclid=IwAR3phQgzXwD7KYUA2dK-jzH43HUKHwQJjllHgJ7WPnnE2sKCOYVQS5FqbhE

 http://thuvienso.ut.edu.vn/doc/bai-giang-co-luong-tu-bai-on-lai-cac-hieu-ung-zeeman-489551.html

 http://thuvienso.ut.edu.vn/doc/bai-giang-co-luong-tu-chuong-4-cac-ung-dung-co-hoc-luong-tu-489550.html