ZEEMANŮV JEV anomální

1. A. Dominec, H. Štulcová (Gymnázium J. Seiferta)‏ V.Pospíšil jako vedoucí projektu ZEEMANŮV JEVanomální

2. Obsah • Obsah • Cíle experimentu • Vlastnosti elektronového obalu • Anomální zeemanův jev • Měření pomocí optického čerpání • Naše aparatura • Výsledky • Poděkování ...nic není takové, jako se zdá

3. 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)

4. Vlastnosti elektronového obaluKvantová čísla Číslo L (orbitální) • N – hlavní (1, 2, …) • L – vedlejší – orbitální (0, …, N-1 nebo s, p, d ...) • M – magnetické (-L, ..., L) • S – spinové (±½) ‏Číslo N (hlavní)‏ • J – celkový spin obalu (součet L a S) • K – celkový spin jádra (součet spinů p+a n0) • F – celkový spin atomu (J+K) Vybrané orbitaly elektronů

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. Optické čerpáníteorie • 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=1 m=0 m=-1 m=1 m=0 m=-1

10. 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)

11. 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 Vysokofrekvenční pole umožní absorpci Elektron uvězněný v m=1

12. Aparatura pro anomální Z. jevzkoumání velmi jemné struktury el. obalu Tak takto vypadá naše aparatura se všema fidlátkama, co k ní patří

13. Aparatura pro anomální Z. jevzkoumání velmi jemné struktury el. obalu • Světlo je kruhově polarizováno pomocí polarizačního filtru a čtvrtvlnové destičky • Světlo prochází skrz nádobku s rubidiem vyhřátým na 65°C výbojka polarizátor cívky křemíkový detektor

14. 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

15. 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

16. 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

17. Aparatura nádobka s rubidiem • Je vyhřívaná na 65°C protékající vodou • V rubidiu uvnitř se projevuje zeemanův jev • Zde proto provádíme to optické čerpání

18. Aparatura ohřívací pumpa • prostě obyčejný ohřívač vody • na stupeň přesný • zahřívá nádobku s rubidiem

19. 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

20. Aparatura vysokofrekvenční cívky • Jsou napájeny přímo z generátoru funkcí • Frekvence je 7.5 – 8.5MHz • Způsobují přeskoky elektronů mezi různými magnetickými čísly

21. 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

22. Aparaturaosciloskop • vykreslujeme intenzitu prošlého světla v závislosti na frekvenci těch malých cívek • výsledná hodnota tedy znamená, jaká je energie fotonu potřebná k přeskoku elektronu na nižší magnetické číslo

23. 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

24. Zdá se vám to snadné? ANO ? ?

25. 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

26. 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

27. Konec Děkujeme za pozornost… …a koordinátorovi za čas