zeemanův jev
DESCRIPTION
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 Popis experimentu Teorie Obal atomu, kvantová čísla, Zeemanův jev - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Zeemanův jevNormální 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 Popis experimentu
Teorie Obal atomu, kvantová čísla, Zeemanův jev
Normální Zeemanův jev Aparatura, výsledky
Anomální Zeemanův jev 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
Typicky nepřesná ilustrace – atom 7Li
Podle základoškolské chemie udává elektronům energii hlavní kvantové číslo
To platí za normálních podmínek pouze u vodíku
Kvantová čísla
• 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)
L (orbitální)
N (h
lavní)
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
Kadmiová výbojka
jako zdroj
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
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
výbojka
cívky
křemíkový detektorpolarizátor
čtvrtvlnová destička
červený filtr
nádobka s rubidiem
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
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 :-)