Fortgeschrittenenpraktikum Versuch 19: Zeeman-Effekt

Technische Universität Chemnitz
Institut für Physik
Fortgeschrittenenpraktikum
Versuch 19: Zeeman-Effekt
Ort:
F-Praktikum, P 047
Der Zeeman-Effekt hat große Bedeutung erlangt sowohl in der Astronomie als auch für
verschiedene Verfahren der Spektroskopie. So bildet er z.B. die Grundlage der
Resonanzmethoden Elektronenspinresonanz (ESR) und kernmagnetische Resonanz (NMR).
Der Zeeman-Effekt dient weiterhin zur e/m - Bestimmung sowie zur genauen Ermittlung des
Wertes für das Bohrsche Magneton.
Mess-/Arbeitsprogramm:
1. Die magnetische Flussdichte B im Zentrum des Zwischenraumes der beiden Polschuhe
(d = 9 mm) ist mit einer tangentialen Hallsonde als Funktion des Spulenstromes I
für I = 1 A bis 10 A zu messen und grafisch darzustellen.
2. Die Versuchsanordnung ist so zu justieren, dass die Interferenzringe scharf zu sehen sind
und mit der Skala gut ausgemessen werden können.
3. Mit Hilfe eines Fabry-Perot-Interferometers (Étalon) werden die Aufspaltung der CdSpektrallinie λ = 643,8 nm im Magnetfeld beobachtet und die Wellenzahldifferenz
∆ν der beiden 6 - Linien in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B bestimmt
(transversale Beobachtung). Bei Stromstärken I = 5 A, 6 A, 8 A und 10 A sind die
Radien der vier inneren Interferenzringe auszumessen.
4. Die Wellenzahldifferenzen ∆ν sind zu berechnen und in Abhängigkeit vom
Spulenstrom I und der magnetischen Flussdichte B tabellarisch darzustellen.
5. Der Zusammenhang ∆ν/2 ist als Funktion von B grafisch darzustellen. Mittels
Geradenausgleichsrechnung ist das Bohrsche Magneton und dessen Standardabweichung
zu bestimmen.
6. Der Zeeman-Effekt ist bei longitudinaler Beobachtung (Lichtaustritt erfolgt parallel zum
Magnetfeld.) mit einer aus Quarz bestehenden λ/4-Platte zu untersuchen und qualitativ zu
beschreiben (I = 8 A).
Stichwortverzeichnis:
Atommodelle, Quantenzahlen, Feinstruktur der Spektrallinien, magnetisches Moment des
Elektrons, Bohrsches Magneton, Larmor-Präzession, normaler und anomaler Zeeman-Effekt,
Paschen-Back-Effekt, Fabry-Perot-Interferometer, λ/4-Platte.
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Literaturangaben:
Bergmann/Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik, W. de Gruyter Berlin
Bd. 3 Optik, 1993, Kap. 3.5 (Vielstrahlinterferenz) u. 4.14 (ZeemanEffekt und Stark-Effekt)
Bd. 4 Teilchen, 1992, Kap. 1.6 (Atome in äußeren Feldern)
Döring, W.: Atomphysik und Quantenmechanik, Bd. 1, W. de Gruyter Berlin, 1981
Haken, H., Wolf, H. C.: Atom- und Quantenphysik, Springer-Verlag Berlin, 1990
Haferkorn, H.: Optik, Barth-Verlagsges. Leipzig, 1994
Recknagel, A.: Physik, Bd. Optik, Verlag Technik Berlin, 1990
Liste der Geräte:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Elektromagnet mit 2 Polschuhen, Stromversorgung und Messgerät
Drehtisch für den Magneten
Fabry-Perot-Interferometer, Spaltdicke t = 3 mm
Cd-Lampe mit spezieller Stromversorgung
Teslameter mit Tangential-Hallsonde
Optische Profilbank mit entsprechenden Aufbauten
Versuchsaufbau:
Cd-Lampe
Irisblende
L1 = +50 mm
L2 = +300 mm
Analysator
Schirm
mit
Skala
L = +50 mm
3
Fabry-Perot
Etalon
Polschuhe
(0) (4)
(9)
(16,5)
(24,5)
(38,5)
(57,5) (63)
Abb. 1 Anordnung der Bauteile auf der optischen Bank (Positionsangaben in cm)
Wichtige Hinweise:
•
•
•
Die Spulen des Elektromagneten sind parallel zu schalten. Stromstärken I > 6 A sind
nur kurzzeitig zulässig.
Den Glaskolben der Cd-Lampe niemals mit der Hand berühren. Die Polschuhe dürfen
die Lampe nicht berühren.
Die Schaltung und der Aufbau auf der optischen Bank sind vom Betreuer überprüfen
zu lassen.
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