Sokoldalú kísérlet az atom- és kvantumfizika lenyűgöző világából, az alábbi témákat ölelve fel:

1. Normál Zeeman-effektus
2. Anomális Zeeman-effektus
3. Hiperrfinom szerkezet felhasadása
4. Fabry-Pérot-interferométer
5. A Bohr-magneton meghatározása

Ez a kísérlet a normál és az anomális Zeeman-effektust vizsgálja a vörös (λ = 643,8 nm) és a türkizkék (λ = 480 nm) kadmiumvonalak segítségével. A kísérletben alkalmazott két etalont mindkét hullámhosszra optimalizálták, hogy rendkívül nagy felbontású képeket kapjanak. Az anomális Zeeman-effektus esetében a 2 pm-nél kisebb vonaleltolódások is feloldhatók. Ezen felül a türkizkék Cd-vonal hiperrfinom szerkezeti felhasadása is tisztán látható. A Zeeman-effektust mind keresztirányú (merőleges), mind hosszirányú (párhuzamos) elrendezésben tanulmányozzák egy külső, változtatható mágneses térhez viszonyítva.

A Fabry-Pérot-etalon elméleti bevezetése révén ebben a kísérletben kísérletileg meghatározható a Bohr-magneton is.

Normál Zeeman-effektus

A normál Zeeman-effektust a vörös kadmiumvonal (λ = 643,8 nm) segítségével vizsgálják. A hosszirányú elrendezést az elektromágnes pólussaruiban lévő lépcsőzetes furat teszi lehetővé. Ahogy a Cd-lámpa fénye áthalad a Fabry-Pérot-etalonon, interferenciagyűrűk képződnek, amelyek a külső mágneses tér irányától függően kettős vagy hármas gyűrűkre hasadnak. A vonalak lineáris vagy körkörös polarizációját polarizációs szűrő és negyedhullámú lemez segítségével vizsgálják.

Az interferenciagyűrűk felhasadását mikroszkóp-kamerával rögzítik. A fókuszáló lencsén elhelyezett vörös szűrő javítja a kontrasztot és a mélységélességet a Cd-vonalak elemzéséhez. A mellékelt kamera szoftvere (Windows rendszerre) lehetővé teszi az élőkép minőségi megfigyelését és a képernyőképek alapján a mennyiségi elemzést. A kísérletet stabil optikai precíziós padon állítják össze.

Anomális Zeeman-effektus

Az anomális Zeeman-effektus vizsgálatához a normál Zeeman-effektushoz használt összeállítást kissé módosítani kell. Az etalont egy másik etalonra cserélik, a vörös szűrőt pedig egy keskeny sávú sávszűrő interferenciaszűrőre (FWHM = 10 nm) váltják. Ezzel az összeállítással a türkizkék kadmiumvonal (λ = 480,0 nm) vizsgálható. A türkizkék Cd-vonal mágneses térben történő felhasadását négy (hosszirányú) vagy hat (keresztirányú) vonalra nagy felbontással figyelik meg a Fabry-Pérot-etalon segítségével. A vonalak lineáris vagy körkörös polarizációját polarizációs szűrő és negyedhullámú lemez alkalmazásával elemzik.

Hiperrfinom szerkezet felhasadása

Az anomális Zeeman-effektus összeállításában a 480 nm-es kadmiumvonal hiperrfinom szerkezeti felhasadása is láthatóvá válik. A 114Cd (magspin = 0) mellett a Cd-lámpa tartalmazza a 111Cd és 113Cd izotópokat is, amelyek magspinje 1/2. A magspin és az elektron közötti kölcsönhatás hiperrfinom szerkezeti felhasadáshoz vezet, ami a kísérletben akár három további vonalként jelenik meg a 480 nm-es vonal mellett.

Fabry-Pérot-interferométer és a Bohr-magneton meghatározása

A Fabry-Pérot-interferométer két sík-parallel tükörből álló optikai rezonátor, amelyek részben áteresztők és magas visszaverődésűek. A tükrök egy optikai közeget zárnak közre. Ha a tükrök közötti távolság rögzített, az összeállítást Fabry-Pérot-etalonnak is nevezik. A többsugaras interferencia miatt az etalonok nagyon nagy felbontóképességgel rendelkeznek.

A kísérlet ezen része megegyezik a normál Zeeman-effektushoz használt összeállítással. A Fabry-Pérot-etalon elméleti bevezetése és az interferenciagyűrűk vizsgálata révén kísérletileg meghatározható a Bohr-magneton értéke.