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. |
![установка и ход работы установка и ход работы - student2.ru](/images/fizika/ustanovka-i-khod-raboty-872895-5.png)
![установка и ход работы установка и ход работы - student2.ru](/images/fizika/ustanovka-i-khod-raboty-872895-6.png)
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 ![]() |
![установка и ход работы установка и ход работы - student2.ru](/images/fizika/ustanovka-i-khod-raboty-872895-12.png)
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