Лабораторная работа № 16 (стр. 2 )

Для наблюдения красной линии кадмия (λ=643,847 нм) в эталон Фабри-Перо устанавливается красный светофильтр, а для исследования голубой линии (λ=508,588 нм) – соответствующий интерференционный фильтр.

Кроме указанных элементов в состав установки входят: компьютер с монитором, блок питания электромагнита с внешним конденсатором фильтра, мультиметр для измерения тока в электромагните, блок питания спектральной лампы.

Рис. 3 – Экспериментальная установка для изучения эффекта Зеемана.

Рис. 4 – Расположение оптических компонентов на оптической скамье.

1 – Вращающийся столик; 2 – полюсные наконечники электромагнита; 3 – кадмиевая спектральная лампа; 4 – ирисовая диафрагма; 5 – линза с фокусным расстоянием ; 6 – эталон Фабри-Перо; 7 – линза с фокусным расстоянием ; 8 – анализатор; 9 – линза с фокусным расстоянием ; 10 – телекамера.

Внимание! Установка отъюстирована. Не допускается никаких манипуляций, кроме описанных в разделе «Методика выполнения работы».

Интерферометр Фабри-Перо

Интерферометр Фабри-Перо представляет собой многолучевой интерференционный спектральный прибор, обладающий чрезвычайно высокой разрешающей способностью (она достигает 300 000400 000). Это обусловлено многолучевой интерференцией, которая позволяет наблюдать узкие высокоинтенсивные интерференционные полосы. Интерферометр Фабри-Перо широко применяется при исследованиях в УФ-, видимой и ИК-областях спектра, в частности, для изучения таких сложных для наблюдения эффектов как тонкая и сверхтонкая структура спектральных линий.

Интерферометр Фабри-Перо представляет собой плоскопараллельный слой из оптически однородного материала, ограниченный отражающими плоскостями (см. Рис.5). Обращенные друг к другу поверхности изготавливаются таким образом, что отступления от плоскостности каждой из них и параллельности друг другу не превышают 0,01 от длины волны. Плоская волна, падающая на интерферометр Фабри-Перо, в результате многократных отражений от ограничивающих плоскостей и частичного выхода после каждого отражения разбивается на большое количество отличающихся по фазе плоских когерентных волн, амплитуда которых убывает по закону геометрической прогрессии.

Рис. 5 – Отражённые, преломленные и проходящие лучи в эталоне Фабри-Перо.

Выходящие из эталона параллельные лучи фокусируются линзой с фокусным расстоянием . В результате интерференции в фокальной плоскости линзы образуется пространственная интерференционная картина в виде колец равного наклона (см. Рис. 6). Радиус колец однозначно связан с длиной волны выражением, вывод которого приводится в Приложении 2:

. (9)

где n – показатель преломления среды между ограничивающими поверхностями, θ – угол между лучом и оптической осью, d – расстояние между параллельными отражающими поверхностями эталона (см. Рис. 5), – целое число (порядок интерференции). Линейное расстояние между максимумами соседних колец и ширина этих колец уменьшаются с увеличением радиуса, т. е. с увеличением интерференционные кольца становятся уже и сгущаются. Разность квадратов радиусов соседних интерференционных колец

(10)

линейно связана с длиной волны, и потому данное соотношение используется для определения длин волн и их разностей.

Рис. 6 – Фокусировка лучей, исходящих из интерферометра Фабри-Перо.

Расчетные формулы

В случае простого эффекта Зеемана линия расщепляется на 3 компоненты с длинами волн , и . Длины волн крайних σ-компонент и согласно выражению (7) с учетом связаны соотношением:

, (11)

Выразим эту величину через радиусы интерференционных колец. Разделив друг на друга выражения (9) и (10) для компонент и получаем соответственно:

; .

Тогда, при ,

, (12)

Обратим внимание, что значение величины δ не зависит от единиц измерения радиусов колец. Построив зависимость этой величины от магнитного поля, в соответствии с формулой (11) можно по угловому коэффициенту полученной прямой рассчитать магнетон Бора.

Методика выполнения работы

Упражнение 1.

Продольный и поперечный эффект Зеемана

1. Включите компьютер. Для доступа к программному обеспечению используйте учетную запись Student.

2. Расположите полюсные наконечники электромагнита перпендикулярно оптической оси. Отверстие для выхода излучения имеется только с одной стороны лампы, поэтому необходимо следить, чтобы лампа была повёрнута к интерферометру нужной стороной. При включении магнитного поля это будет соответствовать геометрии поперечного эффекта Зеемана.

3. Установите метку анализатора в положение 45°.

4. Установите в интерферометр красный светофильтр.

5. Откройте программу Motic Images Plus 2.0. В появившемся окне запустите программу Capture Window. Для этого выберите пункт меню File/Capture Window или нажмите на панели инструментов кнопку с изображением видеокамеры . Откроется окно Motic Like Imaging Module, в котором показывается изображение, фиксируемое видеокамерой.

6. Откройте вкладку цветокоррекции с символом . Нажмите кнопку Reset, после чего установите ползунок R_Gain на максимум, а ползунки G_Gain, G_Brightness, B_Gain и B_Brightness – на минимум, как это показано на Рис.7, а).

а) б)

Рис. 7 – Установки цветокоррекции для Упражнений 1 и 2 (а) и Упражнения 3 (б).

7. Включите питание кадмиевой лампы и снимите защитные крышки с интерферометра. На экране монитора появится изображение интерференционных колец. Добейтесь четкой и симметричной интерференционной картины в центре экрана. Для этого используйте регулировки Gain, Enhance и Gamma на вкладке настройки изображения с символом . Если необходимо, отрегулируйте положение видеокамеры.

8. Включите питание электромагнита и установите ток . При этом каждое интерференционное кольцо должно разделиться на три. Убедитесь в том, что при изменении магнитного поля величина расщепления колец меняется.

9. Последовательно устанавливая метку анализатора в позиции 0° и 90°, следите за изменением наблюдаемой на экране дифракционной картины.

10. Схематически изобразите в рабочей тетради дифракционные картины, соответствующие положениям анализатора 0° и 90°. Сделайте вывод.

11. Поверните магнит вокруг вертикальной оси на 90° так, чтобы индукция магнитного поля в нём стала параллельной оптической оси. Данное положение магнита соответствует геометрии продольного эффекта Зеемана.

12. Вращая анализатор, убедитесь, что дифракционная картина при этом не изменяется. Зарисуйте её в рабочей тетради и сделайте вывод. Установите в ноль ток магнита.