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) 1

Obsah prezentace Úvod Teorie Normální Zeemanův jev Popis experimentu Teorie Obal atomu, kvantová čísla, Zeemanův jev Normální Zeemanův jev Aparatura, výsledky Anomální Zeemanův jev Teorie ohledně měření, aparatura, výsledky Závěr 2

Úvod 3

Popis experimentu Zeemanův jev Aparatura od Leybold Didactics Normální a anomální Kvantová fyzika Štěpení spektrálních čar v magnetickém poli Aparatura od Leybold Didactics Má sloužit pro praktika 3. ročníku FJFI 4

Teorie 5

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 6

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) 7

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 8

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) 9

Normální Zeemanův jev 10

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 11

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 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 13

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

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 16

Anomální Zeemanův jev 17

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 18

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 19

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 20

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 21

Uvěznění elektronu na nejvyšším magnetickém číslu 22

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 23

Uvolnění elektronu pomocí fotonu o nízké energii 24

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

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 26

Závěr 27

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 28

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 :-) 29

30