Transcript Zeemanův jev

Zeemanův jev
Normální 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


Teorie


Aparatura, výsledky
Anomální Zeemanův jev


Obal atomu, kvantová čísla, Zeemanův jev
Normální Zeemanův jev


Popis experimentu
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


Podle základoškolské
chemie udává
elektronům energii
hlavní kvantové číslo
To platí za normálních
podmínek pouze
u vodíku
Typicky nepřesná ilustrace – atom 7Li
Kvantová čísla
• Každý elektron v obalu je
popsán čtyřmi
kvantovými čísly
– l (orbitální - vedlejší;
0, ..., n-1 nebo s, p, d...)
– m (magnetické; -l, ..., +l)
– s (spinové; -1/2, +1/2)
N (hlavní)
– n (hlavní; 1, 2, 3...)
L (orbitální)
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
Svazek prochází
červeným filtrem,
polarizačním filtrem a
zaostřují jej dvě čočky
Kadmiová
výbojka
jako zdroj
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
čtvrtvlnová
destička
nádobka
s rubidiem
cívky
výbojka
červený filtr
polarizátor
křemíkový
detektor
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
Poděkování
Když 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 :-)