Un esperimento altamente versatile dal mondo affascinante della fisica atomica e quantistica che copre i seguenti argomenti:

1. Effetto Zeeman Normale
2. Effetto Zeeman Anomalo
3. Scissione della Struttura Iperfine
4. Interferometro di Fabry-Pérot
5. Determinazione del Magnetone di Bohr

Questo esperimento investiga l'effetto Zeeman normale e anomalo utilizzando le righe rosse (λ = 643,8 nm) e turchesi (λ = 480 nm) del cadmio. Le due etalon nell'esperimento sono state ottimizzate per entrambe le lunghezze d'onda per ottenere immagini ad altissima risoluzione. Nel caso dell'effetto Zeeman anomalo, si risolvono spostamenti delle righe inferiori a 2 pm. Inoltre, la scissione della struttura iperfine della riga turchese del Cd è chiaramente visibile. L'effetto Zeeman viene studiato sia in configurazione trasversa (perpendicolare) che longitudinale (parallela) rispetto a un campo magnetico esterno variabile.

Attraverso l'introduzione teorica all'etalon di Fabry-Pérot, in questo esperimento può essere determinato sperimentalmente anche il magnetone di Bohr.

Effetto Zeeman Normale

L'effetto Zeeman normale è studiato utilizzando la riga rossa del cadmio (λ = 643,8 nm). La configurazione longitudinale è facilitata da un foro a gradini nella scarpa polare dell'elettromagnete. Quando la luce della lampada al Cd attraversa l'etalon di Fabry-Pérot, si formano anelli di interferenza, che si scindono in doppietti o triplette a seconda della direzione del campo magnetico esterno. La polarizzazione lineare o circolare delle righe viene analizzata utilizzando un filtro polarizzatore e una lamina a quarto d'onda.

La scissione degli anelli di interferenza viene registrata con una fotocamera per microscopio. Un filtro rosso sull'obiettivo di messa a fuoco migliora il contrasto e la profondità di campo per l'analisi delle righe del Cd. Il software della fotocamera (per Windows) consente sia l'osservazione qualitativa dell'immagine dal vivo sia l'analisi quantitativa utilizzando screenshot. L'esperimento è montato su un banco ottico di precisione stabile.

Effetto Zeeman Anomalo

Per studiare l'effetto Zeeman anomalo, l'allestimento per l'effetto Zeeman normale deve essere modificato leggermente. L'etalon viene sostituito con un secondo etalon, e il filtro rosso viene sostituito con un filtro di interferenza passa-banda a banda stretta (FWHM = 10 nm). Con questa configurazione, si può esaminare la riga turchese del cadmio (λ = 480,0 nm). La scissione della riga turchese del Cd nel campo magnetico in quattro (longitudinale) o sei (trasversale) righe è altamente risolta utilizzando l'etalon di Fabry-Pérot. La polarizzazione lineare o circolare delle righe viene analizzata usando un filtro polarizzatore e una lamina a quarto d'onda.

Scissione della Struttura Iperfine

Nell'allestimento per l'effetto Zeeman anomalo, diventa visibile anche la scissione della struttura iperfine della riga del cadmio a 480 nm. Oltre al 114Cd (spin nucleare = 0), la lampada al Cd contiene gli isotopi 111Cd e 113Cd, entrambi con spin nucleare di 1/2. L'interazione tra spin nucleare ed elettrone porta alla scissione della struttura iperfine, che nell'esperimento è visibile come fino a tre righe aggiuntive accanto alla riga a 480 nm.

Interferometro di Fabry-Pérot e Determinazione del Magnetone di Bohr

Un interferometro di Fabry-Pérot è una cavità ottica costituita da due specchi piano-paralleli che sono parzialmente trasparenti e hanno un'elevata riflettività. Gli specchi racchiudono un mezzo ottico. Quando gli specchi sono a distanza fissa, l'allestimento è chiamato anche etalon di Fabry-Pérot. A causa dell'interferenza a fasci multipli, gli etalon hanno un potere risolutivo molto elevato.

Questa parte dell'esperimento è identica all'allestimento per l'effetto Zeeman normale. Attraverso l'introduzione teorica all'etalon di Fabry-Pérot e l'analisi degli anelli di interferenza, è possibile determinare sperimentalmente il valore del magnetone di Bohr.