Zeemanův jevNormální a anomální

Adam Dominec a Hana Štulcová(Gymnázium J. Seiferta)

Vladimír Pospíšil jako koordinátor(David Tlustý na záskok a Eliška Svobodová jako klíčník)

Obsah prezentace

Úvod Popis experimentu

Teorie Obal atomu, kvantová čísla, Zeemanův jev

Normální Zeemanův jev Aparatura, výsledky

Anomální Zeemanův jev Teorie ohledně měření, aparatura, výsledky

Závěr

Úvod

Popis experimentu

Zeemanův jev Normální a anomální Kvantová fyzika Štěpení spektrálních čar v magnetickém poli

Aparatura od Leybold Didactics Má sloužit pro praktika 3. ročníku FJFI

Teorie

Obal atomu

• V obalu se v různých orbitalech vyskytují elektrony

Typicky nepřesná ilustrace – atom 7Li

Podle základoškolské chemie udává elektronům energii hlavní kvantové číslo

To platí za normálních podmínek pouze u vodíku

Kvantová čísla

• Každý elektron v obalu je popsán čtyřmi kvantovými čísly– n (hlavní; 1, 2, 3...)– l (orbitální - vedlejší;

0, ..., n-1 nebo s, p, d...)– m (magnetické; -l, ..., +l)– s (spinové; -1/2, +1/2)

L (orbitální)

N (h

lavní)

Excitace• Elektrony můžeme světlem vyrazit na některou z

vyšších energetických hladin

• Protože energetické hladiny a fotony jsou kvantované, musí mít světlo správnou vlnovou délku

• Při deexcitaci elektron opět klesne na nižší hladinu a foton patřičné vlnové délky se vyzáří

Zeemanův jev• Zeemanův jev se projevuje štěpením

spektrálních čar v důsledku vlivu magnetického pole

• Elektrony s různými magnetickými čísly získávají v magnetickém poli rozdílnou energii

• My jej pozorujeme na atomech s 1 elektronem ve valenční vrstvě – vlastnostmi jsou podobné vodíku (kadmium, rubidium)

Normální Zeemanův jev

Normální Zeemanův jev Projevuje se štěpením spektrálních čar ve

vnějším magnetickém poli v našem případě používáme kadmiovou výbojku v

poli až 0,8T Normálně by zářila na vlnové délce 643,8nm, v

magnetickém poli se ale štěpí na tři blízké hladiny

cílem je získat hodnotu Bohrova magnetonu to se získá ze závislosti rozštěpení hladin na

intenzitě pole

Bohrův magneton

Bohrův magneton je fyzikální konstanta

Popisuje vztahy v atomovém obalu pod vlivem elektrického pole

Vychází ze vztahu základních konstant (elementárního náboje elektronu, redukované Planckovy konstanty a hmotnost elektronu)

Aparatura NZJ

Kadmiová výbojka

jako zdroj

Svazek prochází červeným filtrem, polarizačním filtrem a zaostřují jej dvě čočky

Hlavní součástka je Fabry-Perotův etalon, který na principu interference zobrazuje spektrum jako soustředné kroužky

foťák na přenos dat do počítače

Výsledky

Takto je jedna (nerozštěpená) spektrální čára zobrazena v počítači pomocí lineárního fotoaparátu

Výsledky

Takto vypadá ta samá čára pod vlivem magnetického pole

Výsledky• Správná hodnota je: μB = 9.274*10-24 JT-1

• My jsme naměřili: μB = 1.035*10-24 JT-1

• ΔE = μB*B

Anomální Zeemanův jev

Anomální zeemanův jev

Projevuje se štěpením spektrálních čar kvůli působení vnitřních magnetických polí

Tzv. velmi jemná struktura obalu Aby byl pozorovatelný, musíme ale stejně

vnější magnetické pole použít (asi 12mT) Pro pozorování (tentokrát opravdu

jemného) spektra je použito optické čerpání

Optické čerpání Obecně jde o vědeckou metodu založenou

na kontrolované excitaci světlem, v našem případě v trochu komplikovanější verzi

Na funkci se podílí dva hlavní prvky Rubidiová výbojka Vysokofrekvenční pole Kruhově polarizované světlo

Kruhová polarizace• Polarizace takového světla se pravidelně

otáčí (s periodou jedné vlnové délky)

• Kruhově polarizované světlo přenáší moment hybnosti

• Při excitaci kruhově polarizovaným světlem zvýší elektron také své magnetické číslo

eliptická polarizace,vektory se otáčí

lineární polarizace

Optické čerpání – aplikace Světlem z výbojky (kruhově

polarizovaným) o přesné vlnové délce je valenční elektron rubidia vyražen na vyšší hladinu

kruhově polarizované světlo nese moment hybnosti

Při samovolné deexcitaci poklesne elektron na nižší hladinu, zachová si ale zvýšené magnetické číslo

Pokud mu tímto způsobem přidělíme nejvyšší možné magnetické číslo, nebude jej kruhově polarizované světlo moci excitovat

Uvěznění elektronu na nejvyšším magnetickém číslu

Optické čerpání – aplikace Abychom elektron uvolnili, musíme jej

srazit na nižší magnetické číslo pomocí fotonu o patřičné vlnové délce (asi 9MHz)

K tomu použijeme vysokofrekvenční cívky, (které se chovají vlastně jako anténa)

Energie fotonů musí přesně odpovídat patřičnému přeskoku na nižší magnetické číslo

Z frekvence cívek (a tedy vlnové délky jimi vysílaných fotonů) zjistíme rozdíl hladin s různým magnetickým číslem

Uvolnění elektronu pomocí fotonu o nízké energii

Aparatura

výbojka

cívky

křemíkový detektorpolarizátor

čtvrtvlnová destička

červený filtr

nádobka s rubidiem

Výsledky

Bohužel nemáme žádné cílené výsledky Několikrát jsme ozkoušeli aparaturu

Všechny součástky jednotlivě fungují

• Očekávali jsme, že se na osciloskopu zobrazí propady ve spektru, jaké byly popsané v návodu

Závěr

Úspěchy a neúspěchy

Experiment s NZJ jsme úspěšně zprovoznili a naměřili očekávané výsledky s poměrně velkou přesností

Experiment s AZJ se zprovoznit nedaří Podívali jsme se do CERNu Dozvěděli jsme se mnoho nového o fyzice Sepsali jsme, co jsme sepsat měli

…takže celý projekt hodnotíme kladně

PoděkováníKdyž už je tahle prezentace poslední…

Vladimíru Pospíšilovi Davidu Tlustému Elišce Svobodové p. Petráčkovi všem z CERNu všem ostatním účastníkům projektu

... a samozřejmě tatínkovi a mamince :-)