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Die Hyperfeinstruktur der Natrium-D-Linien.

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Mei,6ner u. Luft.
Die Hyperfeinstruktur
der Natrium-D-Linien
667
-
D4e Hwperfeinstrmktmv dew Natrium -1)Liwien
y o n E. TK M e i p n e r 'und K . B'. Luft
(&lit 3 Figuren)
1. Die Hyperfeinstruktur der Natriumlinien wurde in deli letzten
Jahren haufig untersucht 1). Besouders durch die Arbeiten nach der
Atomstrahlmethode von R a b i und Mitarbeitern wurde der Wert
1 = g h fur das meehanische Monient des Kerns sichergestellt, ein
zs!
1-
Wert, der auch durch Intensitatsmessungen auf spektroskopisclieiii
Wege als wahrscheinlichster Wert gefunden wurde.
F u r i = $ gelangt man zu einem Termschema der untersten
Terme des Natriums, das in Fig. 1 dargestellt ist. Der Term 2S1/2
spaltet durch den Kernspin in die Terme 'St, und ' S :1% auf, aus
dem Term 2P,,s entstehen zwei Terme 'P:,, uncl 4P;2 wBhrend der
in vier Terme 2Py;1'2,3zerf allt 2).
'Perm
I n den bisherigen spektroskopischen Untersuchungen wwde
bei der D,-Linie statt der erwarteten Vierfachlinie nur eine Uoppellinie gefunden, da die 2P1,z-Aufspaltungbei der relativ groDen Linienbreite der gewohnlich verwendeten Lichtquellen zu klein war, als
'1
1) Vgl. Literaturverzeichnis sowie die 'I'abelle 3 8.
2) Die Zahlen rechts oben am Termsymbol sind die Feinquantenzahlen f:
45 *
668
Annulen der Pkysik. 5 . Folge. Band 28. 1937
dab sie hiitte getrennt werden konnen. Auch die D,-Linie erschien als
Dublett, da die +4uflosung des P3/$-Termsnoch weniger miiglich war.
2. Aus derartigen spektroskopischen Aufnahmen ist daher bestenfalls nur der Intensitatsschwerpu~~ktder Liniengebilde zu ermitteln,
wobei die Schwingungsdifferenzen der (auch in Fig. 1 angegebenen)
Schwerpunkte der D,- und D,-Linie ( A D , und A L),) verschieden
ausfallen.
Aus diesen Werten A D , und A D, lassen sich die Aufspaltungen
r8tz- ',st,) = u und ("P,; 2 P;) = b ermitteln, wenn man folgende Voraussetzungen macht: 1. i = +, 2. die theoretischen Intensitatsgesetze haben fu r die betreffende Lichtquelle Giiltigkeit, 3. die
Intervallregel gilt, 4. die Aufspaltung des 2Pl,2-Terms verhalt sich
zur Gesamtaufspaltung des 2Pg12-Termswie 5 : 3, was aus theoretischen uberlegungen folgt.
Unter diesen Voraussetzungen ist
-
AD,
=
a
+
+ 3b
und
AD, = a
- tz, : ,
woraus a = 'I, ( A D , A D , ) und b = '1, ( A D , - A D , ) folgt.
Dieses Verfahren ist aber wegen der vielen Voraussetzungeri
nicht zuverlassig. Besonders die Voraussetzung 2 ist bei einer Lichtquelle mit starker Selbstabsorption nicht leicht zu erfiillen. Die genaue Festlegung der Intensitktitsschwerpunkte setzt auch eine umstandliche photometrische Analyse voraus.
3. Die Bedeutung der Kenntnis der Kernspinaufspaltung fur
die Ermittlung des magnetischen Eiernmomentes 1iil3t die direkte
Bestimmung der Termaufspaltung als erwiinscht erscheinen. Bei der
zu erwartenden Kleinheit der 2P1/Z-Aufspaltung( A v w 0,006 cm-l)
mu6 eine Lichtquelle mit mijglichst kleiner Linienbreite verwendet
werden. Auch Lichtquellen bei der Teniperatur der flussigen Luft
werden wegen immer noch zu groBer Dopplerbreite nicht Vcrwendung finden konnen. Dagegen kann ein Atomstrahl geringer
Xchichtdicke, in Absorption oder Emission, zur Auflosung einer so
geringen Aufspaltung dienlich sein.
4. Aus einer sich iiber zwei Jahre erstreckenden Entwicltlungsarbeit ergab sich eine Atomstrahlapparatur, mit der von uns die
Untersuchung der Hyperfeinstruktur des Natriums weiter als bisher
erfolgreich durchgefiihrt werden konnte. Uie ausfuhrliche Beschreibung der Apparatur ist einer anderen Veroffentlichung vorbehalten. Sie gleicht im Prinzip der von Min k o ws k i und Bruck(1)
beschriebenen, ist aber uuabhangig von dieser entwickelt worden.
Die Atomstrahlapparatur erlaubte, einen Na-Atomstrahl von etwa
Meiflner u. Luft. Die Hyperfeinstruktur der Natriuni-D-Linien
ti69
2 mm Dicke durch ElektronenstoB so stark anzuregen? daB man mit
einern Perot-Fabry-$:talon (bei 130 mm Plattenabstanil) und eineni
Prismenapparat bei einem offnungsverhaltnis 1: 20 in dreistiindiger
Exposition gut belichtete Aufnahmen der Hyperfeinstrukturen erhielt.
Selbstredend konnten auch Absorptionsaufnahmen mit der Apparatur
gemacht werden. Eine drehbare Blendenschei be gestattete die Dicke
des Atomstrahls zu 9, 6, 3 und 2 mm zu wahlen.
5. Der Spektralapparat war ein mit zwei Rutherfurdprismen
von 60 x 60 mm2 Offnung ausgestatteter Universalspektrograph
(Schmidt & Haensch, Berlin), dessen Kollimator- und Kameralinsen
etwa 85 cm Brennweite besagen. Unmittelbar hinter dem k'ollimator
war ein Perot-Fabry-Etalon eingebaut, dessen Plattendistanzen jeweils so gewahlt wurden, daB eine optimale Trennung der Interferenzstreifensystenie erzielt wurde. Piir die endgiiltigen Messungen
dienten Distanzringe aus Invar von 36 mm, 120 inm und 130 nini
Liinge. Zur Ermoglichung langfristiger Aufnahmen befand sich das
in der Institutswerkstatt hergestellte Interferometer in einem doppelwandigen, mit Planparallelplatten luftdicht verschlossenen Behalter,
der von Wasser konstanter Teniperatur umflossen wurde. Durch
einen Thermostaten wurde die Temperatur auf etwa 0,02 O C wahrencl
der ganzen Belichtungsxeit konstant gehalten. Durch diese Anordnung wurden Temperatur- und Luftdruckschwankungen unschiidlich gemacht.
6. Von dem Aussehen der erhaltenen Aufnahmen gibt die Fig. 3
eine Vorstellung. Fig. 2 a ist die 13fach vergroBerte Wiedergabe
einer Aufnahme rnit einem 36 mm Etalon. Hier kommt nur
die durch die 2Sliz-Aufspaltung erzielte Linientrennung zum Ausclruck. Fig. 2b ist eine ebenfalls 13fach vergrogerte Aufnahme mit
eineni 130 mm Etalon. Hier greifen die zusammengehorigen Ordnungen ubereinander. Durch das hohe Auflosungsvermogen (iiber
5 . lo6) des Interferenzapparates sind die in Fig. 2 a einfach erscheinenden Interferenzen der D,-Linie deutlich in je zwei Komponenten zerlegt; die Koniponenten der langwelligen Gruppe sind
intensitatsgleich, die Komponenten der kurzwelligen dagegen zeigen
ein Intensitatsverhaltnis, wie es der Darstellung in Fig. 1 entspricht.
Die schwache Komponente, die nuf den Originalen deutlich hervortritt, ist in der Reproduktion nur schwacli angedeutet. Intensitatsmessungen sind nicht vorgenommen worden, da der Hauptwert
auf die exakte Bestimmung der Schwingungsdi~erenzengelegt wurde.
Bei der D,-Linie ist eine Auflosung der Einzelkomponenten der
beiden Gruppen nicht gelungen, was durch die Linienbreite und die
kleineren Aufspaltungen durchaus zu erklaren ist. Immerhin ist die
670
dnnalen der Physik. 5. Folye. B a n d 28. 1937
verscliiedeue Breite der Linien deutlich zu sehen ; die larigwellige
Linie ist breiter als die kurzwellige, wie es auch nach der Fig. 1
zu erwarten ist. Auch der nach den Intensitatsformeln zu erwnrtende
Intensit&tsunterschied kommt ltlar zum Ausdruck.
Fig. 2. Interferenzstreifen der D-Linien bei 36 mm (a)
nnd 130 mm (b) Etalondistanz (13facli vergrijfiert)
7. Die quantitative Auswertung der Aufnahmen erfolgte durcli
Ausrnessung mit einem groBen A b b e schen Komparator der Firma
Carl Zeiss, Jena. Es wurden jeweils die Durchmesser einer groBen
Zahl Interferenzringe auf einer Aufnahme gernessen, die aber im
allgemeinen nur wenig voneinander abweichende Werte der d v
ergaben. Die Restimmung der Werte A v erfolgte nach der Beziehung])
wo e die Etalondistanz, Dm und dm die zur gleicheii Ordnungszahl W L
gehorigen Durchmesser der gemessenen Linienkomponenten, L), und D,,, zwei aufeinander folgende Durchmesser der gleichen Kornponente bedeuten.
Die Konstanz der A D 2 im Zlihler und Nenner bei verschiedenen
Interferenzringen ist ein gutes MaB fiir die Beurteilung der Giite
der Resultate.
8. Die MePergebnisse sind in der folgenden Tabelle enthalten,
in der auch die Resultate der mderen Beobachter angegebeu sind.
Die Messungen von S c h u l e r (2), der die Hyperfeinstruktur der DLinien als erster feststellte, sind nicht mit aufgenommen, da in
seiner Arbeit ausdriicklich nur die ungefiihren Werte der A D , und
A D , angegeben sind.
DaB den aus den Schwerpunktsmessungen errechneteii Termaufspaltungen nicht die Genauigkeit der direkten Messuug inne1) Vgl. z. B. Handb. d. Astropliysik I, 1. S. 264. 1937.
Meipner u. Luft, Die Hyperfeinstruktur der Natriurn-D-Liriien
671
Tabelle
Schwerpunktsmessuneen
Beobachter
'
Aufspaltungen
daraus berechnet:
Granath u.
0,0612
Atta (3)
0,0583
0,0083
0,0566
Jackson u.
daraus berechnet :
Kithn (5)
0,061
0,0565
0,059
0,007
Ellet u.
Aus der Polarisation der Resonttnz- 0,0067
Ikydenburg (4) strahlung irn itlagnetfeld berechnet bis 0,0075
Fox 11.
0,0596
Rabi ((j)
0,0006
0,060'7
0,067:'
daraus berechnet:
0,0590
0,0053
i- 0,0002 1 & 0,0003
MeiBner u.
Luft
direkte Abstands0,0594
0,0058
messung
& 0,0003
i 0,0003
1
*
-I-
I -
Kernmagnetonen
0,0050
2,02 aus AS,
2,8 ausAP,'
0,004
2,05 aus AS,
0,0040
bis 0,0043
2,% bis 2,6
-
0,0032
0,0035
ails d PS,*
2,08 ails A,S,,?
-
2,08 aus A X , I
1,96aus d l J L I ,
wohnen kann, wurde schon in 8 2 auseinandergesetzt. Am nachsten
kommen unsere Werte denen
J a c k s o n und K u h n , die ebenfalls
mit eineni Atomstrahl (in Absorption) gearbeitet haben. Beachtenswert ist aber die ausgezeichnete Ubereinstimmung des von F o x und
R a b i (6) aus magnetischen Ablenkungsversuchen an Atomstrahlen
gewonnenen Wertes fur die Aufspaltung des S-Terms mit dem von
uns gefundenen Werte.
Das Kernmoment wurde mit den von F e r m i und S e g r h ( 7 )
sowie G o u d s m i t (S) angegebenen halbempirischen Niiherungsformeln
herechnet.
Aus der X-Aufspaltung ergibt sich das magnetische Moment
niit der Beziehungi f l 3er.
p = A v ~~1538 Kernmagnetonen,
31 * Z,
.
-
wobei f u r netf.= 1,63 und fur Zi = 11 zii setzen ist.
Fur die 1'-Aufspaltung gilt
AvP
i-j~+1)(2Z+1).Zi
. IS38 Kernmagnetonen
3
p=-2
---
Z i ( 1 -I-1)
(7 = 17,2 emp1 ist die Dublettaufspaltung.
Eine Unsicherheit besteht in der Wahl von Zj. Der in der
Tabelle angegebene Wert p = 1,96 ist mit Zi = 7,4& berechnet.
Dieser Wert ergibt sich bei Verwendung der L a n dBschen Formel
fiir die Dublettaufspaltung. Strengere quantenmechanisehe Reclinung
unter Verwendung yon Fockeigenfunktionen fiihrt, wie S h o u p p ,
B a r t l e t t und D u n n ( 9 ) gezeigt haben, xu einem 2;= 8,54 und
damit zu einem p = 2,21.
B72
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 28. 1931
Die nloereinstimmung der aus beiden Termaufspaltungen errechneten Werte fiir das Kernmoment ist bei der hestehenden Unsicherheit der Niiherungsformeln uberraschend gut.
Zusammenfassung
Unter Verwendung eines durch Elektronenstofi angeregten Natriumatomstrahls als Lichtquelle wurde die Hyperfeinstniktur der
D-Linien mit einem Perot-Fabry-Interferometer untersucht. Die
bedeutende Scharfe der Linien la& die Verwendung groBer Etalondistanzen zu. An der D,-Linie, die schon bei kleinen Gangunterschieden (lurch die Kernspinaufspaltung des 2Sl,,l-rl’ermsals Doppellinie erscheint, gelang bei groBen Etalondistanzen (12 und 13 cm)
die weitere Auflosung dieser Linien in je zwei Komponenten, die
durch die Aufspaltung des 2Plis-Terms zu erwarten sind. Die bisher
nur aus Schwerpunktsbetrachtungen der Intensitatsverteilung in den
aufgelosten Liniengebilden spektroskopisch indirekt ermittelten Aufspaltungen der zS, und 2PP1,,-Termesind somit direkt zu messen.
Es ergibt sich fur den 2Sl,p-Term A u = 0,0594 crn-l, fur den
2Pl,2-TermA v = 0,0055 cm-I, der maximale Fehler ist f 0,0003 cm-l.
Die der 2Pl,,-Sufspaltung entsprechende Wellenlangendifferenz
betriigt demnach 0,0020 AE. Eine Auflosung derartig feiner Strukturen auf direktem spektroskopischem Wege ist wohl erstmalig in
dieser Arbeit gelungen.
Aus der S- und P-Aufspaltung errechnet sich die Zalil der
Kerninagnetonen zu 2,OS bzw. 1,96.
Der bei der Arbeit verwendete Spektrograph ist eine Leihga,be
der Deutschen Forschungsgemeinschaft.
Literaturverzeichnis
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8) S. G o u d s m i t , Phys. Rev. 43, S. 636. 1933.
9) W . E . S h o u p p , J.H.Bartlettu.G.G.Dunn,Phys.Rev.47,8.705.1935.
F r a n k f u r t a. M., Physikalisches Institut der Universitat.
(Eingegangen 6. Februar 1937)
V e r a n t w o r t 1 i c h : fur die Redaktion: Prof. Dr. E. Griineisen, Marburg,%.; fur Anzeigen:
Bornhard v. Ammon, Leipzig.
Anzeigenannahme: Leipzig C 1, Salomonstr. 18 B, Tel. 70861.Verlag: Johann Ambrosius Barth. Druck: Metzger & Wittig, Leipzig C 1. DA. 1050. I.Vj. 1937.Zur Zeit gilt Preisliste 4. Printed in Germany.
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