Experiment: Anomaler + Normaler Zeeman Effekt, Hyperfeinstruktur, Fabry-Pérot-Interferometer, Bohrsches Magneton (230V, 50/60 Hz)

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Ein ausgesprochen vielseitiges Experiment aus der faszinierenden Welt der Atom- und Quantenphysik mit folgenden Themen:

Normaler Zeeman-Effekt
Anomaler Zeeman-Effekt
Hyperfeinstrukturaufspaltung
Fabry-Pérot-Interferometer
Bestimmung des Bohrschen Magnetons

Dieses Experiment untersucht den normalen und anomalen Zeeman-Effekt anhand der roten (λ = 643,8 nm) bzw. türkisen (λ = 480 nm) Cadmium-Linie. Die zwei Etalons im Experiment wurden für die beiden Wellenlängen so optimiert, dass jeweils Bilder mit sehr hoher Auflösung erzielt werden. Beim anomalen Zeeman-Effekt können Linienverschiebungen von weniger als 2 pm aufgelöst werden. Außerdem wird die Hyperfeinstrukturaufspaltung der türkisenen Cd-Linie deutlich sichtbar. Der Zeeman-Effekt wird sowohl in transversaler (senkrechter) als auch longitudinaler (paralleler) Konfiguration zu einem äußeren, variablen Magnetfeld untersucht.
Durch die theoretische Einführung in das Fabry-Pérot-Etalon lässt sich in diesem Experiment auch das Bohrsche Magneton experimentell bestimmen.

Normaler Zeeman-Effekt
Der normale Zeeman-Effekt wird an der roten Cadmium-Linie (λ = 643,8 nm) untersucht. Die longitudinale Konfiguration wird durch eine Stufenbohrung im Polschuh des Elektromagneten ermöglicht. Beim Durchgang des Lichts der Cd-Lampe durch das Fabry-Pérot-Etalon entstehen Interferenzringe, die sich abhängig von der Richtung des äußeren Magnetfelds in Dubletts oder Tripletts aufspalten. Die lineare bzw. zirkulare Polarisation der Linien wird mithilfe eines Polarisationsfilters und einer Viertelwellenlängenplatte analysiert.

Die Aufspaltung der Interferenzringe wird mit einer Mikroskopkamera aufgenommen. Ein Rotfilter auf der Fokussierlinse erhöht Kontrast und Schärfentiefe zur Analyse der Cd-Linien. Die zugehörige Kamerasoftware (für Windows) ermöglicht sowohl die qualitative Beobachtung des Live-Bildes als auch die quantitative Auswertung mittels Bildschirmfotos. Das Experiment ist auf einem stabilen optischen Präzisionsbanksystem aufgebaut.

Anomaler Zeeman-Effekt
Für die Untersuchung des anomalen Zeeman-Effekts muss der Aufbau des normalen Zeeman-Effekts leicht modifiziert werden. Das Etalon wird durch ein zweites Etalon ausgetauscht, und der Rotfilter durch einen schmalbandigen Bandpassinterferenzfilter (FWHM = 10 nm) ersetzt. Mit diesem Aufbau kann die türkise Cadmium-Linie (λ = 480,0 nm) untersucht werden. Die Aufspaltung der türkisenen Cd-Linie im Magnetfeld in vier (longitudinal) bzw. sechs (transversal) Linien wird mit dem Fabry-Pérot-Etalon hoch aufgelöst. Auch hier wird die lineare bzw. zirkulare Polarisation der Linien mithilfe eines Polarisationsfilters und einer Viertelwellenlängenplatte analysiert.

Hyperfeinstrukturaufspaltung
Im Aufbau für den anomalen Zeeman-Effekt wird auch die Hyperfeinstrukturaufspaltung der 480 nm-Linie der Cadmiumlampe sichtbar. In der Cd-Lampe befinden sich neben ¹¹⁴Cd (Kernspin = 0) auch die Isotope ¹¹¹Cd und ¹¹³Cd mit einem Kernspin von 1/2. Die Wechselwirkung zwischen Kernspin und Elektron führt zur Hyperfeinstrukturaufspaltung, die im Experiment mit bis zu drei zusätzlichen Linien neben der 480 nm-Linie sichtbar wird.

Fabry-Pérot-Interferometer und Bestimmung des Bohrschen Magnetons
Ein Fabry-Pérot-Interferometer ist ein optischer Resonator, bestehend aus zwei planparallelen, teildurchlässigen Spiegeln mit hoher Reflektivität und einem eingeschlossenen optischen Medium. Haben die Spiegel eine feste Distanz, wird der Aufbau auch als Fabry-Pérot-Etalon bezeichnet. Aufgrund der Vielstrahlinterferenz haben Etalons ein sehr hohes Auflösungsvermögen.
Dieser Teilversuch ist identisch mit dem Aufbau des normalen Zeeman-Effekts. Durch die theoretische Einführung in das Fabry-Pérot-Etalon und die Untersuchung der Interferenzringe lässt sich in diesem Experiment der Wert des Bohrschen Magnetons experimentell bestimmen.