Une expérience hautement polyvalente du fascinant monde de la physique atomique et quantique couvrant les sujets suivants :

1. Effet Zeeman normal
2. Effet Zeeman anormal
3. Séparation de la structure hyperfine
4. Interféromètre de Fabry-Pérot
5. Détermination du magnéton de Bohr

Cette expérience étudie les effets Zeeman normal et anormal en utilisant les raies rouge (λ = 643,8 nm) et turquoise (λ = 480 nm) du cadmium. Les deux étalons de l'expérience ont été optimisés pour les deux longueurs d'onde afin d'obtenir des images de très haute résolution. Dans le cas de l'effet Zeeman anormal, des déplacements de raie inférieurs à 2 pm sont résolus. De plus, la séparation de la structure hyperfine de la raie Cd turquoise est clairement visible. L'effet Zeeman est étudié à la fois dans les configurations transversale (perpendiculaire) et longitudinale (parallèle) par rapport à un champ magnétique externe variable.

Grâce à l'introduction théorique de l'étalon de Fabry-Pérot, le magnéton de Bohr peut également être déterminé expérimentalement dans cette expérience.

Effet Zeeman normal

L'effet Zeeman normal est étudié en utilisant la raie rouge du cadmium (λ = 643,8 nm). La configuration longitudinale est facilitée par un trou étagé dans le pôle de l'électroaimant. Lorsque la lumière de la lampe Cd passe à travers l'étalon de Fabry-Pérot, des anneaux d'interférence se forment, qui se scindent en doublets ou triplets selon la direction du champ magnétique externe. La polarisation linéaire ou circulaire des raies est analysée à l'aide d'un filtre polarisant et d'une lame quart d'onde.

La séparation des anneaux d'interférence est enregistrée avec une caméra de microscope. Un filtre rouge sur la lentille de mise au point améliore le contraste et la profondeur de champ pour l'analyse des raies du Cd. Le logiciel de caméra fourni (pour Windows) permet à la fois l'observation qualitative de l'image en direct et l'analyse quantitative à l'aide de captures d'écran. L'expérience est montée sur un banc optique de précision stable.

Effet Zeeman anormal

Pour étudier l'effet Zeeman anormal, le montage pour l'effet Zeeman normal doit être légèrement modifié. L'étalon est remplacé par un second étalon, et le filtre rouge est substitué par un filtre interférentiel passe-bande étroit (FWHM = 10 nm). Avec ce montage, la raie turquoise du cadmium (λ = 480,0 nm) peut être examinée. La séparation de la raie Cd turquoise dans le champ magnétique en quatre raies (longitudinal) ou six raies (transversal) est résolue avec une grande précision en utilisant l'étalon de Fabry-Pérot. La polarisation linéaire ou circulaire des raies est analysée à l'aide d'un filtre polarisant et d'une lame quart d'onde.

Séparation de la structure hyperfine

Dans le montage pour l'effet Zeeman anormal, la séparation de la structure hyperfine de la raie du cadmium à 480 nm devient également visible. En plus du 114Cd (spin nucléaire = 0), la lampe Cd contient les isotopes 111Cd et 113Cd, tous deux avec un spin nucléaire de 1/2. L'interaction entre le spin nucléaire et l'électron conduit à la séparation de la structure hyperfine, qui, dans l'expérience, est visible sous la forme de jusqu'à trois raies supplémentaires à côté de la raie de 480 nm.

Interféromètre de Fabry-Pérot et détermination du magnéton de Bohr

Un interféromètre de Fabry-Pérot est une cavité optique constituée de deux miroirs plan-parallèles qui sont partiellement transparents et de haute réflectivité. Les miroirs enferment un milieu optique. Lorsque les miroirs sont à une distance fixe, le montage est également appelé étalon de Fabry-Pérot. En raison des interférences de multiples faisceaux, les étalons ont un très haut pouvoir de résolution.

Cette partie de l'expérience est identique au montage pour l'effet Zeeman normal. Grâce à l'introduction théorique de l'étalon de Fabry-Pérot et à l'étude des anneaux d'interférence, la valeur du magnéton de Bohr peut être déterminée expérimentalement.