Hyperfeinstruktur in der ESR

315 Hyperfeinstruktur in der Elektronenspin-Resonanz

Zu den grundlegenden Themen der Atomphysik gehoert die Erklärung derVerschiebung atomarer Übergänge durch magnetische Wechselwirkung innerhalb der Atome. Diese sind im wesentlichen die Feinstruktur- (Spin-Bahn-) sowie dieHyperfeinstruktur (Huelle-Kern-) Aufspaltung. Dieser Versuch demonstriert den Einfluss eines externen Magnetfelds auf die Uebergangsfrequenzen elektronischer Spin-Flip-Uebergaenge in Anwesenheit spinbehafteterAtomkerne im sog. Paschen-Back-Bereich. Dieser laesst sich in einfacherWeise aus der Quantenmechanik ableiten und fuer Atome, deren Leuchtelektron sich in einem S-Zustand befindet, durch die Breit-Rabi-Formel angeben.

Im ersten Versuchsteil beobachtet man die beiden Spin-Flip-Uebergaenge des 2S1/2-Elektrons im atomaren Wasserstoff, deren Frequenzdifferenz in mit der 'beruehmten' 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 Zwischengitterplaetzen eingelagert hat. Diese Atome stehen nur ueber Elektron-Phonon-Wechselwirkung mit dem Gitter in Kontakt, was sich in einer schmalen Lorentzarigen Verbreiterung bemerkbar macht.

Im zweiten Versuchsteil wird ein sog. F-Zentrum im strahlendotierten Lithiumdeuterid beobachtet. Im Gegensatz zum atomaren Wasserstoff im Ammoniak besteht dieses aus einem recht schwach gebundenen, ungepaarten Elektron, welches eine hohe Aufenthaltswahrscheinlichkeit an den Gitterplaetzen der benachbarten Atomkerne hat. Dadurch kommt es zu einer starken Hyperfeinstruktur-Wechselwirkung, die sich durch eine charakteristische Zahl von die Resonanzlinie aufbauenden Einzelkomponenten auszeichnet. Die Resonanzlinie enthaelt also detailierte Informationen ueber die atomare Umgebung des Elektrons, mit deren Hilfe auf die Struktur der paramagnetischen Strahlenschaedigung geschlossen werden kann. Es koennen Resonanzen von Lithiumdeuterid der Lithium-Isotope 6Li und 7Li aufgenommen werden, wobei sich die erwarteten kernspinabhaengigen Unterschiede zeigen.

Im dritten und letzten Versuchsteil wird mit Hilfe einer Eichprobe bekannter Masse und Konzentration freier Elektronen die Anzahl der F-Zentren in den verwendeten Lithiumdeuterid-Kristallen gemessen.

Der Versuch findet im Labor der Arbeitsgruppe I (Polarisiertes Target) im Institut fuer Experimentalphysik I NB 05/496-497 unter Anleitung statt. Er kann ab 1.6.99 angeboten werden.

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) Drehimpulskopplung der Nukleonen im Grundzustand des Deuteriums und des Lithiums (N=6,7) e) Kristalliner Zustand des Festk"orpers, ionische- und kovalente Bindung f) Zeeman-Effekt, Paschen-Back-Effekt, Breit-Rabi-Formel g) Grundlagen eines Elektronenspin-Resonanzspektrometers

Literatur:

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

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