ZEEMANŮV JEVanomální

A. Dominec, H. Štulcová(Gymnázium J. Seiferta)

V.Pospíšil jako vedoucí projektu

Obsah

Obsah Cíle experimentu Vlastnosti elektronového obalu Anomální zeemanův jev Měření pomocí optického čerpání Naše aparatura Výsledky Poděkování

...nic není takové, jako se zdá

Cíl experimentu anomální zeemanův jev

Anomální zeemanův jev spočívá ve štěpení energetických hladin pod vlivem vnitřních magnetických polí atomu

Bohužel není praktické jej sledovat přímo, a proto je použito optické čerpání (štěpení hladin je moc jemné)

Vlastnosti elektronového obaluKvantová čísla

N – hlavní (1, 2, …) L – vedlejší – orbitální

(0, …, N-1 nebo s, p, d ...)

M – magnetické (-L, ..., L) S – spinové (±½)

Číslo

N (h

lavní)

Vybrané orbitaly elektronů

J – celkový spin obalu (součet L a S)

K – celkový spin jádra (součet spinů p+ a n0)

F – celkový spin atomu (J+K)

Číslo L (orbitální)

Vlastnosti elektronového obalu

• V rámci atomu se vyskytuje několik různých magnetických polí, která vzájemně interagují– Díky tomu se hladiny dále štěpí– Toto je tzv. jemná a velmi jemná struktura

elektronového obalu

Anomální zeemanův jev princip

Vzniká v důsledku interakce tří vnitřních magnetických polí atomu Orbitální moment elektronu Spin jádra Spin elektronu

Projevuje se velmi jemným štěpením spektrálních čar

Optické čerpání princip

Umožňuje sledovat velmi jemné štěpení energetických hladin

Čerpání provádíme na troše rubidia ve skleněné nádobce

Na funkci se podílí tři hlavní prvky Rubidiová výbojka Stálé magnetické pole Vysokofrekvenční pole

Optické čerpání teorie

Světlo z výbojky klasicky vyráží valenční elektron rubidia na vyšší hladinu

Světlo je kruhově polarizované Nese moment hybnosti Umožňuje eletronům jenom skoky, při

kterých se jejich magnetické číslo zvyšuje o 1

Optické čerpání teorie

Elektrony vyražené na vyšší hladinu samy hned skáčou zpět

Nemohou ale změnit zpět své magnetické číslo V důsledku toho jsou časem uvězněny ve stavu s

nejvyšším magnetickým číslem

To jim zabraňuje v pohlcování dalšího světla

m=0m=1

m=-1

m=0m=1

m=-1

Optické čerpání úloha vysokofrekvenčního pole

Malé cívky se chovají vlastně jako antény Vysílají do rubidia fotony o velmi malé vlnové

délce a tedy i velmi malé energii Tyto fotony umožňují elektronům, aby si

změnily magnetické číslo Je potřeba, aby energie fotonů přesně

odpovídala patřičnému přeskoku na nižší magnetické číslo

To se dá odladit frekvencí, na jakou jsou cívky zapnuté (okolo 8MHz)

Optické čerpání úloha vysokofrekvenčního pole

Když správně odladíme frekvenci pole, umožníme elektronům přeskoky na některé z nižších magnetických čísel

Tedy budou moci zase pohlcovat světlo výbojky

Elektron uvězněný v m=1 Vysokofrekvenční pole umožní absorpci

Aparatura pro anomální Z. jevzkoumání velmi jemné struktury el. obalu

Tak takto vypadá naše aparatura se všema fidlátkama, co k ní patří

Aparatura pro anomální Z. jevzkoumání velmi jemné struktury el. obalu

výbojka cívky

křemíkový detektor

Světlo je kruhově polarizováno pomocí polarizačního filtru a čtvrtvlnové destičky

Světlo prochází skrz nádobku s rubidiem vyhřátým na 65°C

polarizátor

Aparaturagenerátor funkcí

Generátor funkcí nám zajistí napájení pro cívky o potřebné frekvenci

Abychom nemuseli neustále měnit frekvenci ručně, generátor automaticky 10X za vteřinu projede celý rozsah frekvencí od 7,5 do 8,5Mhz

Aparatura rubidiová výbojka

Obyč výbojka, svítí růžově Občas se zapíná, jak se jí zlíbí Před ní je barevný filtr na 795nm

(to je bohužel kousek mimo viditelnou oblast) Cosi infračerveného

Aparaturakruhová polarizace

Polarizační filtr by sám o sobě polarizoval světlo lineárně

Když se za něj dá čtvrtvlnová destička, je světlo polarizované kruhově

Kruhově polarizované světlo nese moment hybnosti lineární kruhové

Aparatura nádobka s rubidiem

• Je vyhřívaná na 65°C protékající vodou

• V rubidiu uvnitř se projevuje zeemanův jev

• Zde proto provádíme to optické čerpání

Aparatura ohřívací pumpa

• prostě obyčejný ohřívač vody

• na stupeň přesný• zahřívá nádobku s

rubidiem

Aparatura helmholtzovy cívky

• Zajišťují, aby uvnitř nádobky s rubidiem byla všude stejná intenzita mag. pole

• Jsou napájeny stabilním proudem 740mA

• Jsou velmi impozantní část aparatury

Aparatura vysokofrekvenční cívky

• Jsou napájeny přímo z generátoru funkcí• Frekvence je 7.5 – 8.5MHz• Způsobují přeskoky elektronů mezi

různými magnetickými čísly

Aparaturaosciloskop

• Přijímá vstup z fotodetektoru na konci aparatury

• Zobrazená hodnota určuje, kolik světla prošlo nepohlceno skrz rubidium– Světlo je

pohlcováno, pokud mají elektrony m<2

Aparaturaosciloskop

vykreslujeme intenzitu prošlého světla v závislosti na frekvenci těch malých cívekvýsledná hodnota tedy znamená, jaká je energie fotonu potřebná k přeskoku elektronu na nižší magnetické číslo

Aparatura shrnutí

• kruhově polarizované světlo vyráží elektrony Rb na vyšší mag.číslo, čímž je “uvězní“

• fotony o konkrétní energii z vysokofrekvenční cívky je opět uvolní

• v závislosti na frekvenci těchto cívek prochází víc čí míň světla do detektoru – to se zobrazuje v osciloskopu

Zdá se vám to snadné?

ANO??

Naše výsledky …nic není takové, jaké se zdá

...nejsou bohužel žádné co jsme udělali:

vyzkoušeli jednotlivé části aparatury – fungují při posledních pokusech se nám na

osciloskopu objevilo cosi, co by při hodně velké dávce fantazie mohlo připomínat kýžené výsledky

začali jsme psát návod k normálnímu ZJ

Budoucnostvypadá velmi pracovně

ve zbývajících měsících máme v plánu: vyzkoumat to cosi, co se nám objevuje v

osciloskopu konečně tu zatracenou aparaturu zprovoznit pokusit se manuálně dopočítat hodnoty z

aparatury pro NZJ napsat návody k oběma aparaturám napsat článek a vytvořit poster

Konec

Děkujeme za pozornost…

…a koordinátorovi za čas