1. Vorwort zum Versuch Aufgabenstellung Versuchsbeschreibung Hinweise zur Durchführung der Aufgaben... 3

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1 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Fakultät für Physik Fortgeschrittenenpraktikum I Zeeman-Effekt Inhalt A. Versuchsanleitung: Seite 1. Vorwort zum Versuch Aufgabenstellung Versuchsbeschreibung Hinweise zur Durchführung der Aufgaben... 3 B. Technische Hinweise: 1. Schautafeln (Intensitätsverhältnisse, Transmissionskurven) Versuchsaufbau( Bild) Versuchsaufbau (Blockschaltbild) Funktion der Messanordnung Tabelle der Cadmium-Isotope Eichkurve des Magneten Gerätebeschreibungen (siehe Ordner am Versuch) C. Literatur zum Originalversuch: 1. Staatsexamensarbeit Weiterführende Literatur

2 A.Versuchsanleitung 1. Vorwort zum Versuch 1896 entdeckte der Holländer Pieter Zeeman den nach ihm benannten Effekt, die Aufspaltung einer Spektrallinie in mehrere Komponenten, wenn sich die Licht emittierenden Atome in einem Magnetfeld befinden. Bereits 1862 hatte Faraday sich mit dem Einfluß von Magnetfeldern auf Leuchtatome beschäftigt. Er konnte jedoch keine Aufspaltung beobachten, da die Magnetfelder zu schwach und seine Spektralapparate zu wenig auflösend waren. Erst 34 Jahre später sah Zeeman mit Hilfe bedeutend stärkerer Magnetfelder und höherer spektraler Zerlegung diesen Effekt. 2. Aufgabenstellung Justieren Sie den Versuch und optimieren Sie das Auflösungsvermögen. Beobachten Sie hierzu die Hyperfeinstrukturaufspaltung der Cd-Linie Die Halbwertsbreite der Linie der geraden Isotope sollte-etwa 2,5GHz betragen. Untersuchen Sie den anormalen Zeeman-Effekt am Cadmium. Folgende Linien sind dazu geeignet : = 508,58nm; 479,99nm; 467,81nm. Messen Sie die Aufspaltung bei transversaler und über den Lichtleiter bei longitudinaler Beobachtung für verschiedene Magnetfeldstärken. Die Eichkurve für den Magneten liegt bei, die Eichung für die Aufspaltung entnimmt man dem Abstand zweier benachbarter Ordnungen (= 30 GHZ). Tragen Sie die Aufspaltung gegen die Magnetfeldstärke auf und bestimmen Sie aus der Steigung die Landé schen g - Faktoren für die beteiligten Niveaus. -2-

3 3. Versuchsbeschreibung Die folgenden Beschreibungen sollen einen kurzen Hinweis auf Funktion und Gebrauch der verwendeten Geräte bieten. Genauere Erläuterungen finden Sie in der Staatsexamensarbeit von M. Deres. Cadmium-Spektrallampe mit Netzgerät Die Lampe ist fest zwischen die Polschuhe des Elektromagneten eingebaut. Nach dem Einschalten dauert es einige Minuten bis die Lampe ihre volle Lichtstärke erreicht. Elektromagnet mit Netzgerät Die Einstellung des Spulenstroms erfolgt über ein Potentiometer auf der Frontplatte des Netzgeräts. Bitte stellen Sie dieses Potentiometer immer auf 0 Skalenteile bevor Sie das Netzgerät ein- oder ausschalten. Vorsicht mit Armbanduhren in der Nähe des Magneten! Fabry-Perot-Interferometer (FPI) mit Sägezahngenerator Der Abstand der beiden FPI-Platten kann durch Anlegen einer Spannung piezoelektrisch verändert werden. Einstellungen am Sägezahngenerator (scangenerator) : Schalter auf -hold- = manuelles Durchfahren der Spannung mit dem Drehknopf "Centering" Schalter auf -free run- = automatisches Durchfahren der Spannung Schalter auf -single- = einmaliges Durchfahren der Spannung Schalter -Dispersion- = Einstellen der Sägezahnamplitude u. Drehknopf -variable- -3-

4 Daten des FPI: Freier Spektralbereich 30 GHz Finesse 50 Der Wert für die Finesse ist garantiert im Spektralbereich 450nm - 550nm. Ausserhalb dieses Bereichs nimmt das Reflexionsvermögen der FP-Platten und damit die Finesse ab. Dies ist auch der Grund dafür, dass mit dem vorhandenen FPI der normale Zeeman-Effekt an der roten Cadmium-Linie 643,8nm (Singulett- Übergang) nicht beobachtet werden kann. Gitter-Monochromator Spektralbereich nm Aperture f/3.5 Dispersion 8nm/mm Mit dem Monochromator wird die zu untersuchende Linie selektiert. Ungefähre Einstellung für die drei Linien : 508,6 nm 480,0 nm 467,8 nm ACHTUNG: Die Werte in der Staatsexamensarbeit beziehen sich auf einen Prismenmonochromator und können nicht verwendet werden! Die optimale Einstellung des Monochromators erfolgt durch Beobachtung des Elektrometer-Ausschlags. Dazu nimmt man entweder das FPI aus dem Strahlengang heraus oder -einfacher- man stellt die Sweep - Zeit am Sägezahngenerator auf den kleinsten Wert (höchste Frequenz, man hört dann die FP-Platten "klappern"). Auf der Eintrittseite des Monochromators befinden sich zwei gekreuzte Spalte. Zur Aufnahme der FPI-Spektren müssen diese Spalte weitgehend geschlossen werden, um nur die zentrale Ordnung des FP-Ringsystems durchzulassen ( senkrechter Spalt < 10 Skt, waagerechter Spalt < ). Photomultiplier Der Photomultiplier wird mit einer Spannung von Volt betrieben. Die Spannung wird so gewählt, daß das Elektrometer im gewählten Bereich an den Peakspitzen Vollausschlag zeigt. -4-

5 Elektrometerverstärker und Oszilloskop mit Software HM Zu wählender Strombereich : etwa 10 Ampere Vorzeichen : negativ Nach Beendigung des Versuchs Elektrometer zur Schonung der Batterie ausschalten (Stellung "Power off"). Für die ersten Versuche und für die Grobjustierung genügt die Beobachtung des Elektrometerausschlags. Linsen, Polarisationsfilter, Lichtleiter Die Anordnung der Linsen kann dem Schaubild und dem Versuchsaufbau entnommen werden. Mit dem Polarisationsfilter lassen sich - und - Licht getrennt beobachten. Der Lichtleiter besteht aus einer einzelnen Glasfaser mit einem Faser- Durchmesser von 1,5mm. Das an den Stirnflächen eintretende Licht wird durch Totalreflexion an den Grenzflächen der beiden Medien weitergeleitet. Hinweis zur Justierung Vorbedingung für gute Meßergebnisse ist eine sorgfältige Justierung der optischen Elemente. Wichtig ist, daß das Strahlenbündel beim Durchgang durch das Fabry- Perot-Inferometer aus parallelen Strahlen besteht. Hierzu wird mit Hilfe der Autokollimationsmethode die Linse L 2 in den richtigen Abstand ( =Brennweite ) von der Blende B 1 gebracht. Das FPI am Ende der optischen Bank ersetzt den Spiegel. So erhält auch das FPI eine Grobjustierung, die Platten stehen fast senkrecht im Strahlengang. Danach wird mit der Linse L 3 die zentrale Ordnung auf die Mitte des Kreuzspaltes abgebildet. Jetzt kann die Justierung von FPI und L 3 systematisch verbessert werden. -5-

6 Hinweis zur Linienbreite Die durch die Finesse (F=50) des FPI gegebene, zu erwartende Linienbreite beträgt 0,6 GHz. Tatsächlich wird jedoch eine effektive Breite von bestenfalls 3 GHz gemessen ((s.beispiele in Deres (1)). Ursache dafür sind Verbreiterungsmechanismen in der Cd - Lichtquelle : a) Dopplerverbreiterung b) Druckverbreiterung c) Hyperfeinstrukturaufspaltung d) Isotopie - Effekte Die Dopplerbreite beträgt etwa 1 GHz ((s.abschätzung in Deres(1)). Über die Druckverbreiterung kann nichts ausgesagt werden, da der in der Cd-Lampe herrschende Druck nicht bekannt ist. Die Hyperfeinstruktur ist in den aufgenommenen Spektren teilweise aufgelöst (Schulter in der Linienform und Satelliten-Linien). Sie wird verursacht durch die Wechselwirkung des magnetischen Kern-Dipomoments mit dem Magnetfeld, das durch die Elektronen am Ort des Kerns erzeugt wird ((s.lewis (9)). Über Isotopie-Effekte finden Sie Näheres in Woodgate (4, Seite 211). Visuelle Beobachtung des Ringsystems Durch Einschwenken eines Umlenkprismas mit Okular vor den Eintrittsspalt des Monochromators kann bei offener Blende B 1 das Ringsystem mit dem Auge beobachtet werden. Bei Verwendung des Lichtleiters sieht man nur die innersten Ordnungen (wegen des begrenzten Lichtleiterquerschnitts), man kann jedoch sehr gut die einzelne Faser des Lichtleiters erkennen. -6-

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9 B. Technische Hinweise 1. Versuchsaufbau (Bild) -9-

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12 2. Versuchsaufbau (Blockschaltbild) -12-

13 3. Funktion der Messanordnung Die Cadmium-Entladungsröhre, die zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten angebracht ist, wird mit einer Linse L1 (f=70mm) im Verhältnis 1:1 auf eine Blende abgebildet. Die Blende steht in der Brennebene einer zweiten Linse L2 (f:=40mm). Die aus L2 austretenden, in sich parallelen Lichtbündel fallen in das Fabry-Perot-Interferometer (siehe Funktionweise des FPI). Eine weitere Linse L3 (f=150mm) fokussiert die aus dem FPI kommenden parallelen Stralenbündel in die Ebene des variablen Kreuzspalts eines Gittermonochromators. Bei abgedunkeltem Raum und offener Blende kann man auf diesem Spalt Interferenzringe beobachten.legt man an das FPI eine Sägezahnspannung an, so laufen die Interferenzringe von außen ins Ringzentrum oder umgekehrt. Bei minimaler Blendenöffnung fällt nur noch Licht von einem Punkt auf der optischen Achse in die Linse L2. Die durch das FPI gehenden Strahlen sind dann achsenparallel. Als Interferenzbild sieht man daher nur die zentrale Ordnung der FPI-Ringe. Die Intensität im Ringzentrum kann mit einem Photomultiplier am Ausgangsspalt des Monochromators gemessen und über einen Elektrometerverstärker von einem x-y- Schreiber aufgezeichnet werden. Zur Beobachtung des Zeemaneffekts können mit einem Polarisator die bzw. -Komponenten herausgefiltert werden. -13-

14 4. Tabelle der Cadmium-Isotope Massenzahl re. Häufigkeit Kernspin 106 1,22% ,88% ,39% ,75% ½ ,07% ,26% ½ ,86% ,58%

15 5. Eichkurve des Magneten -15-

16 C. Literatur zum Originalversuch 1. Staatsexamensarbeit Zulassungsarbeit von Monika Deres: Der Zeemanneffekt; Aufbau eines Versuches für das Fortgeschrittenenpraktikum. 2. Weiterführende Literatur Demtröder : Grundlagen und Techniken der Laserspektroskopie Hyperfeinstruktur am Cadmium : Lewis : Hyperfine structure in the triplet states of cadmium, American Journal of Physics 45, 38 (1977) -16-