In diesem Versuch wird das Verhalten von Atomen in Magnetfeldern in Bezug auf die Energieniveaus ihrer Elektronenschalen untersucht. Die zwei wichtigen Effekte sind der Zeeman-Effekt und der Paschen-Back-Effekt. Bei beiden Effekten werden die Spektralllinien, die ein
bestimmtes Atom bzw. Element emittiert, in mehrere Komponenten aufgespalten. Dieses Aufspalten wurde erstmals von Pieter Zeeman in 1896 beobachtet und von Lorentz kurz darauf klassisch erklärt.
Inhaltsverzeichnis
Theorie
1. Klassische Herleitung des Zeeman-Effekts
2. Quantenmechanische Beschreibung des Zeeman-Effekts
3. Paschen-Back-Effekt
4. Auswahlregeln
5. Fabry-Perot-Interferometer
Versuchsaufbau
Auswertung
1. Untersuchung der Polarisationsrichtung
2. Helium, 668 nm
3. Helium, 589 nm
4. Quecksilber, 546 nm
5. Quecksilber, 436 nm
6. Quecksilber, 405 nm
7. Bestimmung von µB
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung des Verhaltens von Atomen in externen Magnetfeldern, insbesondere die Analyse des Zeeman-Effekts und des Paschen-Back-Effekts an Spektrallinien von Helium und Quecksilber zur Bestimmung des bohrschen Magnetons.
- Klassische und quantenmechanische theoretische Grundlagen der Spektrallinienaufspaltung
- Experimentelle Bestimmung der Aufspaltung mittels Fabry-Perot-Interferometer
- Untersuchung von Polarisationsrichtungen und Auswahlregeln
- Quantitative Auswertung verschiedener Spektrallinien zur Ermittlung des bohrschen Magnetons
- Analyse und Diskussion von Abweichungen zu Literaturwerten
Auszug aus dem Buch
2. Quantenmechanische Beschreibung des Zeeman-Effekts
Ein geladenes Teilchen mit Drehimpuls besitzt ein magnetisches Moment. Im Fall eines Elektrons gibt es sogar zwei magnetische Momente (für den Spin und den Drehimpuls), die sich zu einem gesamten magnetischen Moment koppeln. Für den Drehimpuls gilt
µl = - µB · 1/h mit bohrschen Magneton µB = e h / 2 m_e
Wir verwenden der Einfachheit wegen die vektorielle Schreibweise statt der Operatorschreibweise. L ist der Drehimpuls, h das reduzierte plancksche Wirkungsquantum, m_e die Elektronenmasse, und e die Elementarladung.
Zusammenfassung der Kapitel
Theorie: In diesem Kapitel werden die physikalischen Grundlagen des Zeeman-Effekts und des Paschen-Back-Effekts, sowohl klassisch als auch quantenmechanisch, dargelegt.
Versuchsaufbau: Hier wird die experimentelle Anordnung, bestehend aus der Lichtquelle und dem Fabry-Perot-Interferometer, detailliert beschrieben.
Auswertung: Dieses Kapitel enthält die empirische Analyse der gemessenen Spektrallinien, die Bestimmung des bohrschen Magnetons und die Fehlerdiskussion.
Schlüsselwörter
Zeeman-Effekt, Paschen-Back-Effekt, Spektrallinien, bohrsches Magneton, Magnetfeld, Fabry-Perot-Interferometer, Drehimpuls, Spin, LS-Kopplung, Auswahlregeln, Polarisation, Quantenmechanik, Spektroskopie, Helium, Quecksilber
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit untersucht experimentell das Verhalten von Atomen in Magnetfeldern und die damit verbundene Aufspaltung von Spektrallinien.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind der Zeeman-Effekt, der Paschen-Back-Effekt, die Kopplung von Drehimpulsen und Spins sowie die spektroskopische Messung mittels Interferometrie.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist die experimentelle Bestimmung des bohrschen Magnetons auf Basis der gemessenen Aufspaltungen verschiedener Spektrallinien.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine experimentelle Methode genutzt, bei der die Aufspaltung von Spektrallinien durch ein magnetisches Feld mittels eines Fabry-Perot-Interferometers optisch erfasst und quantitativ ausgewertet wird.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden die theoretischen Grundlagen erläutert, der Versuchsaufbau skizziert und eine detaillierte Auswertung der Messdaten für Helium- und Quecksilberlinien vorgenommen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Zeeman-Effekt, Spektrallinien, bohrsches Magneton, Fabry-Perot-Interferometer und magnetische Quantenzahl.
Worin besteht der Unterschied zwischen Zeeman-Effekt und Paschen-Back-Effekt?
Beim Zeeman-Effekt dominiert die Wechselwirkung mit dem äußeren Magnetfeld die Spin-Bahn-Kopplung nicht, während beim Paschen-Back-Effekt das Magnetfeld stark genug ist, um die Spin-Bahn-Kopplung aufzuheben.
Warum wurde ein Fabry-Perot-Interferometer gewählt?
Das Instrument wurde gewählt, da es aufgrund seiner hohen Auflösung besonders gut geeignet ist, um die sehr geringen Abstände der aufgespaltenen Spektrallinien präzise zu vermessen.
Wie hoch ist die Abweichung des ermittelten bohrschen Magnetons vom Literaturwert?
Der experimentell ermittelte Wert weicht um etwa 7 % vom Literaturwert ab, was primär auf Ablesefehler und Inhomogenitäten im Magnetfeld zurückgeführt wird.
- Arbeit zitieren
- Jan Sauer (Autor:in), 2008, Praktikumsauswertung zum Zeeman-Effekt, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/173290
