Hyperfeinstruktur in der ESR: Unterschied zwischen den Versionen

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'''315 Hyperfeinstruktur in der Elektronenspin-Resonanz'''
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Dieser Versuch beschäftigt sich mit der Messung des Intervallfaktors in der <span class="plainlinks">[http://de.wikipedia.org/wiki/Hyperfeinstruktur Hyperfeinstruktur]</span> des atomaren Wasserstoffs. Dieser Faktor gibt die Wechselwirkung zwischen dem ungepaarten S-Elektron und dem Kernspin wieder und führt zu einer Aufhebung der Entartung bezüglich der beiden möglichen Spineinstellungen des Elektron- und Kernspins (parallel oder anti-parallel).
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Die Energiedifferenz, die mit dieser Aufspaltung verbunden ist, entspricht der bekannten 21 cm-Linie (1420 MHz) des Wasserstoffs. Jedoch wird in diesem Versuch kein atomares Wasserstoffgas benutzt, sondern separierte Wasserstoffatome, die in einer gefrorenen Ammoniak-Matrix eingebettet sind.
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Des weiteren wird die Breit-Rabi-Formel für unseren Fall experimentell nachgewiesen.
  
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Der Versuch findet in NB 04/290 statt.
  
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Zu den grundlegenden Themen der Atomphysik gehört die Erklärung der Verschiebung atomarer Übergänge durch magnetische Wechselwirkung innerhalb der Atome. Diese sind im wesentlichen die Feinstruktur- (Spin-Bahn-) sowie die Hyperfeinstruktur (Hülle-Kern-) Aufspaltung. Dieser Versuch demonstriert den Einfluss eines externen Magnetfeldes auf die Übergangsfrequenzen elektronischer Spin-Flip-Uebergänge in Anwesenheit spinbehafteter Atomkerne im sog. Paschen-Back-Bereich. Dieser lässt sich in einfacher Weise aus der Quantenmechanik ableiten und für Atome, deren Leuchtelektron sich in einem S-Zustand befindet, durch die Breit-Rabi-Formel angeben.
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[http://f-praktikum.ep1.ruhr-uni-bochum.de/anleitung/Versuch315.pdf Anleitung]
  
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Im ersten Versuchsteil beobachtet man die beiden Spin-Flip-Übergaenge des <math>^2 S_{1/2}</math>-Elektrons im atomaren Wasserstoff, deren Frequenzdifferenz in mit der 'berühmten' 21cm-Linie des atomaren Wasserstoffs in Zusammenhang gebracht werden kann. Die Beobachtung findet an einem gefrorenen Ammoniak-Einkristall unter tiefen Temperaturen statt, in dem sich atomarer Wasserstoff durch vorherige Elektronenbestrahlung auf Zwischengitterplätzen  eingelagert hat. Diese Atome stehen nur über Elektron-Phonon-Wechselwirkung mit dem Gitter in Kontakt, was sich in einer schmalen Lorentzartigen Verbreiterung bemerkbar macht.
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This experiment deals with the measurement of the interval factor in the <span class="plainlinks">[http://de.wikipedia.org/wiki/Hyperfeinstruktur hyperfine structure]</span> of atomic hydrogen. This factor reflects the interaction between the unpaired S-electron and the nuclear spin and leads to a cancellation of the degeneracy with respect to the two possible spin settings of the electron and nuclear spin (parallel or anti-parallel).
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The energy difference associated with this splitting corresponds to the well-known 21 cm line (1420 MHz) of hydrogen. However, this experiment does not use atomic hydrogen gas, but separated hydrogen atoms embedded in a frozen ammonia matrix.
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Furthermore, the Breit-Rabi formula is experimentally proven for our case.
  
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Der Versuch findet im Labor der Arbeitsgruppe I (Polarisiertes Target) im Institut für Experimentalphysik I NB 05/496-497 unter Anleitung statt.
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The experiment takes place in NB 04/290.
  
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Da die Versuchsdurchfuehrung unkompliziert in relativ kurzer Zeit durchführbar ist (in dieser ersten Version keine aufwendigen Messreihen) und auch die haeusliche Auswertung nicht sonderlich aufwendig sein wird, besteht ein Hauptaufgabenteil aus einer guten und soliden Vorbereitung der theoretischen Grundlagen zu den behandelten Phaenomenen.
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[http://f-praktikum.ep1.ruhr-uni-bochum.de/anleitung/Versuch315en.pdf students manual]
  
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'''Vorzubereitende Themen:'''
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[http://f-praktikum.ep1.ruhr-uni-bochum.de/anleitung/intervallfaktor.py Python-Skript]
  
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a) klassische und quantenmechanische Beschreibung des Drehimpulses, Spin
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*Kontakt: Gerhard Reicherz gerhard.reicherz@rub.de, Tel. 23542, NB 2/127
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b) magnetisches Moment, g-Faktor, Energie eines magnetischen Moments im äußeren Magnetfeld
 
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c) atomare Fein- und Hyperfeinstruktur-Wechselwirkung
 
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d) Zeeman-Effekt, Paschen-Back-Effekt, Breit-Rabi-Formel
 
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e) Grundlagen eines Elektronenspin-Resonanzspektrometers
 
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Literatur:
 
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T. Mayer-Kuckuk 'Atomphysik'
 
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T. Mayer-Kuckuk 'Kernphysik'
 
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Bergmann-Schaefer 'Experimentalphysik Bd IV Teil 1+2'
 
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Jedes einführende Lehrbuch zur Festkörperphysik bezgl. der ESR-Apparatur möglicherweise Angabe aus Biophysik-ESR-Versuch
 
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Kontakt: Dr. Gerhard Reicherz reicherz@ep1.rub.de, Tel. 23542, NB 2/127
 
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Anleitung: [http://f-praktikum.ep1.ruhr-uni-bochum.de/anleitung/Versuch315.pdf]
 

Aktuelle Version vom 17. März 2022, 15:17 Uhr

Dieser Versuch beschäftigt sich mit der Messung des Intervallfaktors in der Hyperfeinstruktur des atomaren Wasserstoffs. Dieser Faktor gibt die Wechselwirkung zwischen dem ungepaarten S-Elektron und dem Kernspin wieder und führt zu einer Aufhebung der Entartung bezüglich der beiden möglichen Spineinstellungen des Elektron- und Kernspins (parallel oder anti-parallel). Die Energiedifferenz, die mit dieser Aufspaltung verbunden ist, entspricht der bekannten 21 cm-Linie (1420 MHz) des Wasserstoffs. Jedoch wird in diesem Versuch kein atomares Wasserstoffgas benutzt, sondern separierte Wasserstoffatome, die in einer gefrorenen Ammoniak-Matrix eingebettet sind. Des weiteren wird die Breit-Rabi-Formel für unseren Fall experimentell nachgewiesen.

Der Versuch findet in NB 04/290 statt.

Anleitung

This experiment deals with the measurement of the interval factor in the hyperfine structure of atomic hydrogen. This factor reflects the interaction between the unpaired S-electron and the nuclear spin and leads to a cancellation of the degeneracy with respect to the two possible spin settings of the electron and nuclear spin (parallel or anti-parallel). The energy difference associated with this splitting corresponds to the well-known 21 cm line (1420 MHz) of hydrogen. However, this experiment does not use atomic hydrogen gas, but separated hydrogen atoms embedded in a frozen ammonia matrix. Furthermore, the Breit-Rabi formula is experimentally proven for our case.

The experiment takes place in NB 04/290.

students manual

Python-Skript

  • Kontakt: Gerhard Reicherz gerhard.reicherz@rub.de, Tel. 23542, NB 2/127
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