Универсальный эксперимент из увлекательного мира атомной и квантовой физики, охватывающий следующие темы:

1. Нормальный эффект Зеемана
2. Аномальный эффект Зеемана
3. Расщепление сверхтонкой структуры
4. Интерферометр Фабри-Перо
5. Определение магнетона Бора

Данный эксперимент исследует нормальный и аномальный эффекты Зеемана, используя красную (λ = 643,8 нм) и бирюзовую (λ = 480 нм) линии кадмия. Два эталона в эксперименте были оптимизированы для обеих длйн волн, чтобы достичь изображений с очень высоким разрешением. В случае аномального эффекта Зеемана разрешаются смещения линий менее чем на 2 пм. Кроме того, расщепление сверхтонкой структуры бирюзовой линии Cd явно видно. Эффект Зеемана изучается в поперечной (перпендикулярной) и продольной (параллельной) конфигурациях относительно внешнего, изменяемого магнитного поля.

Через теоретическое введение в эталон Фабри-Перо в этом эксперименте также может быть экспериментально определен магнетон Бора.

Нормальный эффект Зеемана

Нормальный эффект Зеемана исследуется с использованием красной линии кадмия (λ = 643,8 нм). Продольная конфигурация обеспечивается ступенчатым отверстием в полюсном наконечнике электромагнита. Когда свет от Cd-лампы проходит через эталон Фабри-Перо, формируются интерференционные кольца, которые расщепляются на дублеты или триплеты в зависимости от направления внешнего магнитного поля. Линейная или круговая поляризация линий анализируется с помощью поляризационного фильтра и четвертьволновой пластинки.

Расщепление интерференционных колец записывается с помощью микроскопической камеры. Красный фильтр на фокусирующей линзе увеличивает контраст и глубину резкости для анализа линий Cd. Прилагаемое программное обеспечение для камеры (для Windows) позволяет как качественное наблюдение за живым изображением, так и количественный анализ с использованием снимков экрана. Эксперимент устанавливается на стабильной оптической прецизионной стойке.

Аномальный эффект Зеемана

Для исследования аномального эффекта Зеемана установка для нормального эффекта Зеемана должна быть слегка изменена. Эталон заменяется вторым эталоном, а красный фильтр заменяется узкополосным полосовым интерференционным фильтром (FWHM = 10 нм). С этой установкой можно исследовать бирюзовую линию кадмия (λ = 480,0 нм). Расщепление бирюзовой линии Cd в магнитном поле на четыре (продольная) или шесть (поперечная) линий высоко разрешается с использованием эталона Фабри-Перо. Линейная или круговая поляризация линий анализируется с помощью поляризационного фильтра и четвертьволновой пластинки.

Расщепление сверхтонкой структуры

В установке для аномального эффекта Зеемана также становится видимым расщепление сверхтонкой структуры 480-нм линии кадмия. Помимо 114Cd (ядерный спин = 0), Cd-лампа содержит изотопы 111Cd и 113Cd, оба с ядерным спином 1/2. Взаимодействие между ядерным спином и электроном приводит к расщеплению сверхтонкой структуры, которое в эксперименте видно как до трех дополнительных линий рядом с 480-нм линией.

Интерферометр Фабри-Перо и определение магнетона Бора

Интерферометр Фабри-Перо — это оптический резонатор, состоящий из двух плоскопараллельных зеркал, которые частично прозрачны и обладают высокой отражательной способностью. Зеркала окружают оптическую среду. Когда зеркала находятся на фиксированном расстоянии, установка также называется эталоном Фабри-Перо. Благодаря многолучевой интерференции эталоны обладают очень высокой разрешающей способностью.

Эта часть эксперимента идентична установке для нормального эффекта Зеемана. Через теоретическое введение в эталон Фабри-Перо и исследование интерференционных колец значение магнетона Бора может быть экспериментально определено.

Примечание:

Руководство к эксперименту доступно на английском и немецком языках.