Hyperfeinstruktur in der ESR

315 Hyperfeinstruktur in der Elektronenspin-Resonanz

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.

Im ersten Versuchsteil beobachtet man die beiden Spin-Flip-Übergaenge des $^2 S_{1/2}$-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.

Der Versuch findet im Labor der Arbeitsgruppe I (Polarisiertes Target) im Institut für Experimentalphysik I NB 05/496-497 unter Anleitung statt.

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.

Vorzubereitende Themen:

a) klassische und quantenmechanische Beschreibung des Drehimpulses, Spin

b) magnetisches Moment, g-Faktor, Energie eines magnetischen Moments im äußeren Magnetfeld

c) atomare Fein- und Hyperfeinstruktur-Wechselwirkung

d) Zeeman-Effekt, Paschen-Back-Effekt, Breit-Rabi-Formel

e) Grundlagen eines Elektronenspin-Resonanzspektrometers

Literatur:

T. Mayer-Kuckuk 'Atomphysik' T. Mayer-Kuckuk 'Kernphysik' Bergmann-Schaefer 'Experimentalphysik Bd IV Teil 1+2' Jedes einführende Lehrbuch zur Festkörperphysik bezgl. der ESR-Apparatur möglicherweise Angabe aus Biophysik-ESR-Versuch

Kontakt: Dr. Gerhard Reicherz reicherz@ep1.rub.de, Tel. 23542, NB 2/127

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Anleitung: https://wiki.physik.ruhr-uni-bochum.de/fpsowas/images/9/98/Versuch315.pdf