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Ein Demonstrationsversuch zur Hyperfeinaufspaltung von Atomen.

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Annalen der Physik. 7. Folge, Band 42, Heft 2, 1985, S. 175-179
J. A. Barth, Leipzig
Ein Demonstrationsversuch zur Hyperfeinaufspaltung
von Atomen
Von A . SCHMITZER,
H. H. BECHTELund D. FICK
Philipps-Universitat, Fachbereich Physik, Marburg
Herrn Prof. Wilhelm Walcher xum 75. Geburtstag gewidmet
I n h a l t s u b e r s i c h t . Der Nachweis der laserinduzierten Resonanzfluoreszenz an einem thermischen Atomstrahl erlaubt auf einfache Weise die Beobachtung der Hyperfeinaufspaltung im Grundund angeregten Zustand von Natrium. Ein fur Demonstrationen geeigneter Versuch kann, neben dem
Atomstrahl selbst, die Wirkung von Elektronen- und Kernspin im Horsaal vorfuhren. Das benotigte
Laserlicht wird hierbei uber ein Lichtleiterkabel vom Labor in den Horsaal gefuhrt. Der Versuch kann
auch zur Demonstration des optischen Pumpens und durch Anlegen eines Magnetfeldes in der Beobachtungsregion zur Demonstration des Zeeman-Effektes benutzt werden.
An Experiment to Demonstrate the Hyperfine Splitting of Atoms in a Lecture Hall
A b s t r a c t . The detection of laser induced fluorescence from a thermal atomic beam allows in a
simple way for the observation of the hyperfine splitting of ground and excitedNa-atoms. A Suitable
experimental setup is able to show in a lecture hall not only the atomic beam itself but also the consequences of electron and nuclear spin. The laser light used is transmitted from the laser in t h e
laboratory into the lecture hall by a fiber glass cable. The experiment is able to show also the effects
of optical pumping and, if additionally an external magnetic field is applied t o the observation
region, the Zeeman effect.
1. Einfiihrung
Vorlesungen uber ,,Konzepte der modernen Physik" beinhalten als zentrale Punkte
neben den1 Dualismus Teilchen - Welle die Diskussion des Dualismus Bosonen Ferniionen und damit den Begriff des Teilchenspins. Der Elektronenspin - Grofle und
Quantelung - regelt in Verbindung mit dem Pauliprinzip den Aufbau der Atome. Ahnliches gilt, allerdings in abgeschwachter Form, fur den Nukleonenspin und den Aufbau
der Atomkerne. Einer Demonstration des Spins und seiner Eigenschaften kommt deshalb
in einer Vorlesung uber ,,Konzepte der modernen Physik" eine zentrale Bedeutung zu.
Als Beispiele fur Lehrbucher verschiedenen Anspruchs und sehr unterschiedlichen
Alters niogen die Bucher von BEISER[l]und FINKELNBURG
[2] gelten.
Historisch geschah der erste Nachweis des Elektronenspins im Experiment von STERN
und GERLACH
[21, in dem beide magnetischen Zustande eines Silberatomstrahls in einem
inhomogenen Magnetfeld getrennt wurden. Eine weitere Moglichkeit, die Beobachtung
der Hyperfeinstrukturaufspaltung (z.B. an Natriuin [3]), ist fur klassische Spektroskopie
zwar moglich, aber fur Demonstrationszwecke in einer Vorlesung noch weniger geeignet
als das Stern-Gerlach Experiment. Auf der anderen Seite ist die Beobachtung einfach
und leicht durchfuhrbar, wenn auf laserinduzierte Fluoreszenz an cinein Atomstrahl
Ann. Physik Leipxig 42 (1986) 2
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zuriickgegriffen wird [ 41. Moderne Farbstofflaser konnten im Prinzip Natriumdampflampen ersetzen, waren sie nicht teuer und wartungsintensiv. Auf der anderen Seite ist
es niit niodernen Lichtleiterkabeln moglich, Licht iiber grollere Entfernungen ohne
wesentliche Abschwachung zu transportieren, also z. B. im Horsaal etwas ahnliches wie
eine Steckdose fur au13erst spektralreines Licht zu installieren. Didaktische Einwande
gegen Verwendung solch moderner Technologie lassen sich leicht abwenden. Wir mochten nns hier, der Einfachheit und Kurze halber, auf R. W. POHL
berufen (aus Elektrizitatslehre, Vorwort zur 4. Auflage [ 5 ] ): ,,Seine (der Vorlesungsstoff) Gliederung ist nach
wie VOP in allen wesentlichen Punkten die der historischen Entwicklung geblieben. Doch
scheue ich mich nirgends vor den technischen Hilfsmitteln unserer Tage. Das ist nur
eine zeitersparende hderlichkeit. Ich habe ja auch Gesange Homers aus einem gedruckten Text gelernt und nicht nach dem festlichen Vortrag eines Rhapsoden".
Im folgenden wird ein erster Versuch, Laserlicht geringer Energiestromdichte [61
aus einem Lichtleiterkabel im Horsaal zur Beobachtung der laserinduzierten Fluoreszenz
an einem Natriumatonistrahl zu verwenden, beschrieben.
2. Experiment und Ergebnisse
Die experimentelle Darchfuhrung ist denkbar einfach (Abb. 1). Aus eine~netwa
300°C heiden Ofen wird Natrium durch eine Duse verdampft. Nach einer geringen Flugstrecke kreuzt das Laserlicht den Atomstrahl in einein Beobachtungsstuck, in dem die
induzierte Flureszenz mit einer Photozelle registriert werden kann. Urn die Hyperfeinstruktur der D1-Linie vollkommen auflosen zu konnen, wird die Atomstrahldivergenz auf etwa ein Grad beschrankt, so da13 sich eine Dopplerbreite der Pluoreszenzlinien
(Abb. 2) von etwa 30 MHz ergibt. Dies ist,etwa die dreifache natiirliche Linienbreite der
n 1-Linie.
II
Ofen
Photodiode
Blende
LASER
u
Abb. 1. Schematischer Aufbau des Experimentes. Die Ofendiise hat einen Dnrchmesser von etwa
0,s mm, Der Abstand des Ofens von der Blende betragt 1 cm und der Abstand Blende-Photodiode
etwa 4-5 cm, die gesamte AuBenlange der Apparatur etwa 60 cm.
I
Ofen, Blende und Atomstrahl sind in einer evakuierbaren Metallapparatur, die durch
ein Glasfenster in Atomstrahlrichtung abgeschlossen ist, untergebracht. Durch dieses
la fit sich das Fluresozenzlicht des Atonistrahls optisch beobachten und dainit der Atomstrahl im Horsaal visuell sichtbar machen (Fernsehkamera notendig). Die gesanite
Apparatur einschliedlich der notwendigen Pumpen nnd des Oszillographen ist aiif eineni
kleinen fahrbaren Tisch montiert.
A. SCHNITZER
u. a., Hyperfeinaufspaltung von Atomen
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Fur die Experiniente wird ein Coherent-Lasersystem (Argon Ionenlaser CR 18 und
Farbstofflaser CR 699) verwandt, das etwa 80 m vom Horsaal entfernt in einem Labor
installiert ist. Die ubertragung des Laserlichtes geschieht, wie erwahnt, uber ein Lichtleiterkabel. Im Horsaal tritt das Licht unter einem Winkel von etwa 40" aus dem Lichtleiter aus. Eine Pokussierung des Lichtes ist fur das Experiment nicht erforderlich, so
daI3 man bei Normalbetrieb des Lasers in etwa l m Abstand die gesetzlich erlaubte
Energiestronidichte von 5 pW/cm2unterschreitet. Trotzdem sollte das Experiment iinmer
so aufgebaut werden, daB das aus dem Lichtleiter austretende Licht nicht in das Publikum trifft. Neben dem Lichtleiterkabel niuW noch ein Steuerkabel zum Durchstimnien
das Lasers verlegt werden.
Ein typisches Resultat, Resonanzfluoreszenz als Funktion der Frequenz des Laserlichtes uber die D1-Linie von Natrium, zeigt Abb. 2 fur zwei verschiedene Energiestromdichten. Das Spektrum zeigt 4 Linien, die den ifbergangen entsprechend Abb. 3 zugeordnet werden konnen. Die Messungen zeigen deutlich, daB in diesem Experiment
auch die Hyperfeinaufspaltung des angeregten Natriumatoms aufgelost werden kann.
LASER
- SCAN
4 GHZ
Abb. 2. Intensitkit des Fluoreszenzlichtes als Funktion der Frequenz des angeregten Laserlichtect-
32P1,*
F'=2
F'=1
A
I
A -
1
T
189 MHz
1
< *
F=2
<>%
D1(589,6 nm)
T
1772 MHz
3*SI,,
F=l
1
Abb. 3. D,-Ubergange zwischen den Hyperfeinniveaus von Grund- (32S1,2)und angeregtamZustand
(32P,,2)von Natrium. Die Auswahlregeln erlauben 4 Linien.
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Ann. Physik Leipzig 42 (1985) 2
Dies ist in einem optischen Experiment nahezu unmoglich (siehe Ref. [3] Abb. 50). Die
Messung mit der kleineren Energiestromdichte zeigt die den Ubergangswahrscheinlichkeiten fur induzierte Absorption entsprechenden Intensitatsverhaltnisse [41, wahrend die
Messung bei der hoheren Energiestromdichte durch Effekte des optischen Pumpens
zwischen den Hyperfeinniveaus gestort ist.
3. Durchfiihrung des Vorlesungsversuchs und Erweiterungsmiiglichkeiten
Zur Vorbereitung des Versuches empfiehlt sich eine Vorfuhrung des Natriumspektrums mit Demonstration der Aufspaltung der Natrium D-Linien. Zumindest qualitativ,
evtl. durch Absorption am Natriumdampf, sollte die Ubereinstimmung der Frequenz des
Laserlichtes mit der Natrium D-Linie demonstriert werden. Der Frequenzhub des ,,Laserscans" kann durch Demonstration von Interferenzeffekten sichtbar gemacht werden.
Die Spektren des Resonanzfluoreszenzlichtes konnen, mittels einer Fernsehkamera,
uber einen Oszillographen direkt sichtbar gemacht werden undloder uber einen Schreiber
auf eine ,,Overhead-Folie" aufgezeichnet werden.
Die Diskussion der experimentellen Resultate (Abb. 2) beinhaltet zunachst die Diskussion des 4-Linien Spektrums im Zusammenhang mit einer konsistenten Beschreibung
der Aufspaltung der Natrium D-Linien in eine D,- und D,-Linie. Insbesondere laBt sich
aus den Spektren die Hyperfeinstrukturaufspaltung im Grund- und angeregten Zustand
von Natrium darstellen und diskutieren. Die Intensitatsverhaltnisse sind in einer Anfangervorlesung nur einer qualitativen Diskussion zuganglich.
Erweiterungen des Versuches, die ihn auch fur eine Vorlesung nach dem Vordiploiu
(Atom-, Kernphysik) interessant machen, sind vielfaltig moglich. Die Intensitaten erlauben einen Vergleich niit den ubergangswahrscheinlichkeiten, in die die ClebschGordan Koeffizienten eingehen. Die quantitative Ausmessung der Linienabstande erlaubt
eine ungefahre Bestimmung des magnetischen Moments des Natriumatomkerns. Die
Diskussion der Intensitaten des Resonanzfluoreszenzlichtes bei verschiedenen Energiestromdichten des Laserlichtes erlauben eine erste Demonstration der Effekte des optischen Pumpens.
Durch Hinzufugen eines Magnetfeldes uber der Beobachtungsregion l&Bt sich sowohl
der Zeeman-Effekt fur kleinere als auch der Paschen-Back Effekt fur groBere Magnetfelder (groB gegenuber der kritischen Feldstarke) demonstrieren und quantitativ auswerten [4, 71. Aus der Anzahl der Linien kann dann der Spin des Natriumatomkerns bestimmt werden. Durch h d e r u n g der Polarisationsrichtung des Laserlichtes relativ zur
Magnetfeldrichtung konnen optische Spektren fur n- und o-ubergange demonstriert
werden.
Diese skizzenhafte Zusammenstellung zukunftiger Demonstrationsmoglichkeiten zeigt
viele Experimente auf, die die Kombination ,,Atomstrahl und Laserlicht" in einem Horsaal erlaixbt. Wir hoffen deshalb, daB unsere Vorschlage nicht die letzten bleiben werden
und daB das neue technische Hilfsmittel eines spektralreinen Lichtes aus Lasern neue
Impulse fur weitere Demonstationsversuche geben wird.
Literaturverzeichnis
[l] BEISER,A.: Concepts of Modern Physics, 2nd ed. Tokyo: McGraw Hill Kogakuska 1973.
[2] FINKELNBURC,
W. : Einfiihrung in die Atomphysik; 3. Aufl. ; Berlin-Heidelberg: Springer 1954.
[3] KOPFERMANN,
H. : Kernmomente, 1.Aufl. ; Frankfurt: Akademische Verlagsanstalt 1956.
[4] JANSCH,H.; KOCH,E.; DREVES,W.; FICK, D.: J. Phys. D: Appl. Phys. 17 (1984) 231.
[5] POHL,R. W.: aus Vorwort zu Einfuhrung in die Elektrizitatslehre 4. Auflage; abgedruckt in 8.
u. 9. Aufl. ; Berlin: Springer-Verlag 1943.
A. SCHMITZER
u.a., Hyprfeinaufsplt~iingvon Atomen
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KAMRE,D.; WALCHER,
W.: Physik fur Mecliziner; Stuttgart: Teubner-Verlag 1982.
[7] JANSCH,H. ;BLATT,K.; LEUKER,H. ;FICK,D.; K R ~ E R
D.;, MOBIUS,K. H.; OTT,W. ; PAUL,P. ;
TUNGATE,
G. ; SUNTZ,R. ; WELLER,,4.; STEFFENS,
E. : Polarized heavy ion beams in single msublevels at the Heidelberg MP-Tandem; bei Nucl. Instr. Meth. eingereicht.
[C;]
Bei der R,edaktion eingegangen am 7. Dezember 1984.
Anschr. d. Verf.: A. SCHMITZER,
H. H. BECHTEL,D. FICK
Philipps-Universitat, Fachbereich Physik
Renthof 5
D-3.550 Marburg
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