Um experimento altamente versátil do fascinante mundo da física atômica e quântica que abrange os seguintes tópicos:

• Efeito Zeeman Normal
• Efeito Zeeman Anômalo
• Desdobramento da Estrutura Hiperfina
• Interferômetro de Fabry-Pérot
• Determinação do Magneton de Bohr

Este experimento investiga os efeitos Zeeman normal e anômalo utilizando as linhas vermelha (λ = 643,8 nm) e turquesa (λ = 480 nm) do cádmio. Os dois etalons no experimento foram otimizados para ambos os comprimentos de onda, permitindo imagens de altíssima resolução. No caso do efeito Zeeman anômalo, deslocamentos de linha de menos de 2 pm são resolvidos. Além disso, o desdobramento da estrutura hiperfina da linha turquesa do Cd é claramente visível. O efeito Zeeman é estudado nas configurações transversal (perpendicular) e longitudinal (paralela) em relação a um campo magnético externo e variável.

Por meio de uma introdução teórica ao etalon de Fabry-Pérot, o magneton de Bohr também pode ser determinado experimentalmente.

Efeito Zeeman Normal

O efeito Zeeman normal é investigado utilizando a linha vermelha do cádmio (λ = 643,8 nm). A configuração longitudinal é facilitada por um furo escalonado na sapata do eletroímã. À medida que a luz da lâmpada de Cd passa pelo etalon de Fabry-Pérot, formam-se anéis de interferência, que se dividem em dupletos ou tripletos, dependendo da direção do campo magnético externo. A polarização linear ou circular das linhas é analisada usando um filtro de polarização e uma placa de quarto de onda.

O desdobramento dos anéis de interferência é registrado por uma câmera de microscópio. Um filtro vermelho na lente de focalização aumenta o contraste e a profundidade de campo para a análise das linhas de Cd. O software da câmera (para Windows) permite tanto a observação qualitativa da imagem ao vivo quanto a análise quantitativa por meio de capturas de tela. O experimento é montado em um banco óptico de precisão estável.

Efeito Zeeman Anômalo

Para investigar o efeito Zeeman anômalo, a montagem do efeito Zeeman normal precisa ser ligeiramente modificada. O etalon é substituído por um segundo etalon, e o filtro vermelho é trocado por um filtro interferencial passa-banda estreita (FWHM = 10 nm). Com este arranjo, a linha turquesa do cádmio (λ = 480,0 nm) pode ser examinada. O desdobramento da linha turquesa de Cd no campo magnético em quatro linhas (longitudinal) ou seis linhas (transversal) é altamente resolvido com o uso do etalon de Fabry-Pérot. A polarização linear ou circular das linhas é analisada com um filtro de polarização e uma placa de quarto de onda.

Desdobramento da Estrutura Hiperfina

No arranjo para o efeito Zeeman anômalo, o desdobramento da estrutura hiperfina da linha de cádmio de 480 nm também se torna visível. Além do 114Cd (spin nuclear = 0), a lâmpada de Cd contém os isótopos 111Cd e 113Cd, ambos com spin nuclear de 1/2. A interação entre o spin nuclear e o elétron leva ao desdobramento da estrutura hiperfina, que no experimento é visível como até três linhas adicionais ao lado da linha de 480 nm.

Interferômetro de Fabry-Pérot e Determinação do Magneton de Bohr

Um interferômetro de Fabry-Pérot é uma cavidade óptica composta por dois espelhos plano-paralelos, parcialmente transparentes e de alta refletividade. Os espelhos envolvem um meio óptico. Quando os espelhos estão a uma distância fixa, o arranjo também é chamado de etalon de Fabry-Pérot. Devido à interferência de múltiplos feixes, os etalons possuem um poder de resolução muito alto.

Esta parte do experimento é idêntica ao arranjo para o efeito Zeeman normal. Por meio da introdução teórica ao etalon de Fabry-Pérot e da investigação dos anéis de interferência, o valor do magneton de Bohr pode ser determinado experimentalmente.

Nota:

Manual experimental disponível em inglês e alemão.