Многофункциональный 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

В этом эксперименте исследуются нормальный и аномальный эффекты Зеемана с использованием красной (λ = 643,8 нм) и бирюзовой (λ = 480 нм) линий кадмия. Два эталона в эксперименте были оптимизированы для обеих длин волн, чтобы достичь изображений с очень высоким разрешением. В случае аномального эффекта Зеемана разрешаются сдвиги линий менее 2 пм. Кроме того, расщепление сверхтонкой структуры бирюзовой линии кадмия явно видно. Эффект Зеемана изучается как в поперечной (перпендикулярной), так и в продольной (параллельной) конфигурациях относительно внешнего, регулируемого магнитного поля.

Благодаря теоретическому введению 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 благодаря ступенчатому отверстию в полюсном наконечнике электромагнита. Когда свет от кадмиевой лампы проходит через эталон Фабри–Перо, образуются 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 пластины.

Расщепление интерференционных колец фиксируется микроскопической камерой. Красный фильтр на фокусирующей линзе повышает контраст и глубину резкости при анализе линий кадмия. Прилагаемое программное обеспечение камеры (для Windows) позволяет как качественно наблюдать живое изображение, так и проводить количественный анализ с использованием снимков экрана. Эксперимент установлен на стабильной оптической прецизионной скамье.

Аномальный эффект Зеемана

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

Расщепление сверхтонкой структуры

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

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 заключают оптическую среду. Когда зеркала находятся на фиксированном расстоянии, установка также называется эталоном Фабри–Перо. Благодаря многолучевой интерференции эталоны имеют очень высокую разрешающую способность.

Эта часть эксперимента идентична установке для нормального эффекта Зеемана. Через теоретическое введение в эталон Фабри–Перо и исследование интерференционных колец можно экспериментально определить значение магнетона Бора.

Примечание:

Руководство по эксперименту доступно на английском и немецком языках.