Zeemanův jev

1. 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)

2. 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

3. Úvod

4. 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

5. Teorie

6. 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

7. Kvantová čísla L (orbitální) • 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) N (hlavní)

8. 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

9. 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)

10. Normální Zeemanův jev

11. 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

12. 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)

13. Aparatura NZJ 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 Kadmiová výbojka jako zdroj foťák na přenos dat do počítače

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

15. Výsledky • Takto vypadá ta samá čára pod vlivem magnetického pole

16. Výsledky • Správná hodnota je: μB = 9.274*10-24 JT-1 • My jsme naměřili: μB = 1.035*10-24 JT-1 • ΔE = μB*B

17. Anomální Zeemanův jev

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. Uvěznění elektronu na nejvyšším magnetickém číslu

23. 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

24. Uvolnění elektronu pomocí fotonu o nízké energii

25. Aparatura nádobka s rubidiem čtvrtvlnová destička cívky výbojka křemíkový detektor červený filtr polarizátor

26. 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

27. Závěr

28. 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

29. 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 :-)