Установка и ход работы

Расположите электромагнит на вращающемся столе и прочно закрепите на нем два полюсных наконечника таким образом, чтобы оставалось достаточно большое пространство для кадмиевой лампы (9-11 мм). Вставьте Cd - лампу, она не должна касаться наконечников, и подключите ее к источнику питания для спектральных ламп. Соедините параллельно катушки электромагнита через амперметр к источнику питания (20 В, 12 А). Конденсатор, 22000 мкФ, соединен параллельно с выходом источника.

На оптической скамье расположены следующие элементы (в скобках дано их примерное расположение в см):

(80) Телекамера КМОП - типа

(73) Линза L₃ = +50 мм

(68) Экран со шкалой (только в классическом варианте)

(45) Анализатор

(39) Линза L₂ = +300 мм

(33) Эталон Фабри-Перо

(25) Линза L₁ = +50 мм

(20) Ирисовая диафрагма

(20) Полюсные наконечники с отверстиями

(0) Cd - лампа на вращающемся столике

Рис. 10: Экспериментальная установка

Первичная отстройка: отрегулируйте вращающийся стол так, чтобы центры отверстий в полюсных наконечниках находились в 28 см выше стола. Придвиньте оптическую скамью со всеми элементами (кроме ирисовой диафрагмы и телекамеры CCD- типа) ближе к электромагниту, чтобы одно из выходных отверстий полюсных наконечников совпадало с предыдущим положением ирисовой диафрагмы. Отрегулируйте линзу L₁ так, чтобы выходное отверстие находилось в пределах ее фокальной плоскости. Остальные оптические элементы на рис. 11 расположите последовательно по высоте.

Рис. 11: Расположение оптических компонентов.

Для наблюдения эффекта Зеемана источником света служит диафрагма, освещаемая Cd - лампой. Линза L₁ и линза с фокусным расстоянием f = 100 мм в эталоне Фабри-Перо создают почти параллельно идущий луч света, необходимый для создания интерференционной картины. В эталоне Фабри-Перо находится сменный светофильтр. Для наблюдения нормального эффекта Зеемана вставьте в держатель эталона красный фильтр, через который проходит красная кадмиевая линия (643,8 нм).

Закрепите телекамеру на оптической скамье, настройте ее фокус так, чтобы далеко стоящие объекты были четкими, и отрегулируйте ее положение по вертикали и горизонтали, чтобы на экране компьютера появилась четкая интерференционная картина. Дополнительная информация по установке и эксплуатации телекамеры и программного обеспечения указана в инструкции к камере.

Ток в катушках на некоторое время установите равным 8 A. Интерференционная картина колец в продольном направлении наблюдается сквозь линзу L₃. Разместите изображение в центре и, передвигая эталон Фабри-Перо (влево или вправо) и линзу L₂ (вертикально или горизонтально), добейтесь ее четкости.

Выставьте значение тока катушки на 5 A (увеличьте световую силу кадмиевой лампы), и пронаблюдайте интерферограмму колец в осевом направлении через линзу L₃. Расщепление линии должно быть четко видимым. Отцентрируйте картину и придайте ей четкость, передвигая эталон (направо или налево) или линзу L₂ или L₃ (вертикально или горизонтально).

Подсказка: эксперимент лучше проводить в затемненном помещении.

Задание 1Наблюдение в продольном и поперечном ракурсе нормального эффекта Зеемана. Фотографирование дифракционных картин при различных значениях индукции магнитного поля без поляризационного фильтра при поперечном наблюдении

Эталон создает интерференционную картину колец, наблюдаемых через телескоп, образованный линзами L₂ и L₃. Диаметр колец измеряется при помощи телекамеры КМОП – типа и программного обеспечения.

Сначала пронаблюдайте за продольным эффектом Зеемана без ирисовой диафрагмы.

Поверните электромагнит на 90º и пронаблюдайте за светом, выходящим из спектральной лампы параллельно направлению поля (продольное наблюдение), через отверстия в полюсных наконечниках. Это свет c круговой поляризацией (продольное наблюдение эффекта Зеемана). В данном эксперименте пластина λ/4 применяется для достижения превращения света с эллиптической в линейную поляризацию. Поместите пластину перед анализатором и исследуйте свет продольного эффекта Зеемана. Если оптическая ось пластины λ/4 совпадает с вертикалью, то наблюдается исчезновение нескольких колец, если анализатор находится под углом +45º к вертикали, другие кольца исчезнут при положении анализатора под углом -45º. Это означает, что свет при продольном эффекте Зеемана подвергается круговой поляризации (с противоположным направлением вращения). При продольном наблюдении π- линии не просматриваются.

Удалите пластину λ/4. Поверните электромагнит на 90º, вставьте ирисовую диафрагму для наблюдения в поперечном ракурсе. Если анализатор расположен горизонтально, видна только π- линия. Поверните анализатор в вертикальное положение, появятся две четкие σ- линии.

Удалите поляризационный фильтр и установите ток в катушке 3 A.

Для получения изображения от камеры перейдите к меню «Файл» > «Снимок окна». В данном окне выберите настройки контраста, яркости и насыщенности изображения в «Опции» > «Фильтр видео снимка». Сначала получите как на рис. 12 без поляризационного фильтра качественные изображения дифракционных картин, зафиксируйте изображение при помощи «Снимок» > «Неподвижное изображение». На данной стадии перейдите к основному окну и запишите значение тока катушки и поляризации, при которой фиксировалось изображение («Текст»). Это позволит избежать недоразумений.

Зафиксируйте изображения при различных значениях силы тока в катушке, изменяя ток от 3 до 8A с шагом 1A.

Рис. 12: Нормальный эффект Зеемана: картина интерференции без поляризационного фильтра без магнитного поля и с полем при токе в катушке 5 А. Слева – одно кольцо на порядок интерференции, справа – три кольца на порядок интерференции.

Задание 2.Измерение и расчет сдвига частоты в нормальном эффекте Зеемана

Радиусы колец следует рассчитывать при различных значениях индукции магнитного поля без поляризационного фильтра при поперечном наблюдении.

Рис. 13: Снимок экрана программы при измерении радиуса колец интерференции, для расчета горизонтальной и вертикальной поляризации.

Далее измерьте радиусы колец первого изображения при помощи меню «Измерить» < «Окружность». Нарисуйте окружность, передвигая мышку по изображению. Подгоните эту окружность по размеру и положению интересующего кольца. Радиус, площадь и периметр окружности отобразится в маленьком поле и в таблице под изображением (см. рис. 13 для сравнения). В данном эксперименте интерес представляет квадрат радиус окружности, поэтому при расчете можно использовать значения площади s = πr². При расчете при помощи уравнения (3.10) единицы измерения (мкм, мм, см) не имеют значения, поэтому калибрование камеры проводить не нужно, а коэффициентом = 3,14159 можно пренебречь.

Можно рассчитать характеристики всех видимых трех колец на порядок интерференции. Кольцо, находящееся в центре порядка всегда имеет длину волны линии без поля.

Продолжайте создавать окружности и подгонять их по размерам и по положению до тех пор, пока позволяет изображение.

Итого получаем для разных порядков в отдельном изображении:

Повторите вышеизложенные измерения с другими зафиксированными изображениями.

Замечание: Для последующих расчетов следует построить калибровочную кривую зависимости индукции магнитного поля от тока в катушке. Для этого необходим тесламетр. В случае его отсутствия используются результаты из рис. 14. Кривая на рис. 14 построена на основе результатов измерения индукции магнитного поля в центре межполюсного пространства при отсутствии кадмиевой лампы. Для расчетов значения были увеличены на 3,5% для учета неоднородности поля в пространстве.

Постройте график зависимости результатов измерения от индукции магнитного поля и рассчитайте значение магнетона Бора.

К примеру, для построения графика на рис. 15 были рассчитаны для всех изображений значения δ/Δ при заданной в изображении индукции магнитного поля, из разности площадей соответствующих колец с различным порядковым номером (например, разность значений площади между средним кольцом второго порядка и средним кольцом первого порядка). И из разности значений площади трех колец с одинаковым порядковым номером (от внешнего к среднему, от среднего – к внутреннему) и проведено усреднение всех значений.

Рис. 14: Зависимость магнитной индукции в центре пространства при отсутствии кадмиевой лампы (ширина пространства 9 мм) от тока катушки.

Рис. 15. График зависимости результатов измерения от индукции магнитного поля.

Из рис. 7 видно, что разность энергий σ- и π- линий равна

,

из уравнения (3.10) для разности волновых чисел следует

.

Из графика посредством линейной регрессии измеренных значений находим

при n = 1,456, h = 6,63·10^-34 Дж∙с, c = 2,99·10⁸ м/с, t = 3 мм, получаем.

Табличное значение

Задание 3.Наблюдение в продольном и поперечном ракурсе аномального эффекта Зеемана. Фотографирование дифракционных картин при различных значениях индукции магнитного поля для горизонтальной и вертикальной поляризации при поперечном наблюдении.

При наблюдении аномального эффекта Зеемана для уменьшения искажающих отражений между интерферометром Фабри-Перо и интерференционном фильтром выньте красный фильтр и вставьте интерференционный светофильтр в держатель для линзы +300 мм (за линзой).

Для наблюдения аномального эффекта Зеемана вставьте в держатель эталона вместо красного зеленый фильтр, через который проходит зеленая линия кадмия 508,588 нм. Сначала получите как на рис. 16 без поляризационного фильтра качественные изображения дифракционных картин в поперечном эффекте.

Рис. 16: Аномальный эффект Зеемана: картина интерференции без поляризационного фильтра и увеличенной области первых полностью видимых двух порядков интерференции

Установите поляризационный фильтр в горизонтальное положение. Получите как на рис. 17 качественные изображения дифракционных картин с поляризационным горизонтальным фильтром в поперечном эффекте.

Рис. 17: Аномальный эффект Зеемана: картина интерференции с поляризационным горизонтальным фильтром и увеличенной области первых полностью видимых двух порядков интерференции

Зафиксируйте изображения при различных значениях силы тока в катушке, изменяя ток от 2 до 7A с шагом 1A.

Установите поляризационный фильтр в вертикальное положение. Получите как на рис. 18 качественные изображения дифракционных картин с поляризационным вертикальным фильтром в поперечном эффекте.

Рис. 18: Аномальный эффект Зеемана: картина интерференции с вертикальным поляризационным фильтром и увеличенной области первых полностью видимых двух порядков интерференции

Зафиксируйте изображения при различных значениях силы тока в катушке, изменяя ток от 2 до 7A с шагом 1A. При этом наблюдаемые дифракционные картины разных порядков не должны перекрывать друг друга настолько, что рассматриваемые кольца становятся неразличимыми, т.е. менее 7,5 А для вертикальной и менее, чем 12 А для горизонтальной поляризации. Значение тока в катушке не должно быть слишком большим во избежание перегрева.

Задание 4.Измерение и расчет сдвига частоты в аномальном эффекте Зеемана