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

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

Cette expérience étudie l'effet Zeeman normal et anomal en utilisant les raies rouges (λ = 643,8 nm) et turquoises (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 anomal, des décalages de raies inférieurs à 2 pm sont résolus. De plus, le dédoublement de la structure hyperfine de la raie turquoise du Cd est clairement visible. L'effet Zeeman est étudié 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 perçage étagé dans la semelle polaire de l'électroaimant. Lorsque la lumière de la lampe au Cd traverse l'étalon de Fabry-Pérot, des anneaux d'interférence se forment, qui se dédoublent en doublets ou en 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 analyser les raies du Cd. Le logiciel de la caméra (pour Windows) permet une observation qualitative de l'image en direct ainsi qu'une analyse quantitative à l'aide de captures d'écran. L'expérience est montée sur une table optique de précision stable.

Effet Zeeman anomal

Pour étudier l'effet Zeeman anomal, le montage de 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 passe-bande interférentiel à bande étroite (FWHM = 10 nm). Avec ce montage, la raie turquoise du cadmium (λ = 480,0 nm) peut être examinée. La séparation de la raie turquoise du Cd dans le champ magnétique en quatre raies (longitudinale) ou six raies (transversale) est hautement résolue à l'aide de 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.

Dédoublement de la structure hyperfine

Dans le montage pour l'effet Zeeman anomal, le dédoublement de la structure hyperfine de la raie 480 nm du cadmium devient également visible. En plus de 114Cd (spin nucléaire = 0), la lampe au 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 au dédoublement de la structure hyperfine, qui dans l'expérience est visible sous forme de jusqu'à trois raies supplémentaires à côté de la raie 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 plans parallèles qui sont partiellement transparents et ont une haute réflectivité. Les miroirs renferment un milieu optique. Lorsque les miroirs sont à distance fixe, l'ensemble est également appelé étalon de Fabry-Pérot. En raison de l'interférence de multiples faisceaux, les étalons ont un très grand 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.