Zeemanův jev
Download
Report
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 :-)