Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

Präsentation zum Thema: "Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten"—  Präsentation transkript:

1 Dubbers: Physik IV SS 2010 3. H-Atom Einzelheiten
3. H-Atom Einzelheiten 3.1 Magnetisches Moment Zeeman-Effekt Stark-Effekt Feinstruktur Hyperfeinstruktur Lamb-Verschiebung 25 Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

2 Dubbers: Physik IV SS 2010 3. H-Atom Einzelheiten
3.1 Magnetisches Moment μl r Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

3 Spin- und Bahn-magnetisches Moment
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4 Gesamt-magnetisches Moment μj
l j s μl μs μj j Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

5 Dubbers: Physik IV SS 2010 3. H-Atom Einzelheiten
B z μ s 3.2 Zeeman-Effekt μ·B s = 1: B = 0: B ≠ 0: m = +½ m = ±½ m = −½ Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

6 Aufspaltung der 2j+1 Unterniveaus
Zeeman-Aufspaltung als Funktion des B-Feldes: E s = ½: E ms=+½ E0 ħωL E− ms=−½ Bz m= +1 m= −1 E Bz m= 0 E+1 E0 E−1 s = 1: Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

7 Aufhebung der Entartung
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8 Zeeman-Effekt im Anregungs-Spektrum
Im Lichtspektrum sieht man die Energie-Differenzen hν zwischen den aufgespaltenen angeregten Zuständen und den Grundzuständen (für nicht zu starkes Feld, mit Auswahlregel Δm = 0 oder ±1): Zeeman Effekt im Na-Atom Energie B=0 | B> B=0 | B>0 angeregter Zustand E2 Grund- Zustand E1 Licht-Frequenz ν Original Aufnahme von Zeeman B = 0 B > 0 (Na hat ein äußeres Elektron und ist daher wasserstoffähnlich) Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

9 Gyromagnetisches Verhältnis und Larmorfrequenz
Bz m= 0 E+1 E0 E−1 ħωL Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

10 Polarisation und Magnetisierung
sz z Polarisation ↑ Polarisation ↓ unpol. Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

11 Larmor-Präzession der Polarisation
spin up: z sz=+½ħ s |s| = ½√3ħ spin down: sz=−½ħ 1 Atom: Phasenlage unbestimmt z s μ Viele Atome: Phasenlage gut bestimmt Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

12 Dubbers: Physik IV SS 2010 3. H-Atom Einzelheiten
3.3 Stark-Effekt p·E Quadratischer Stark-Effekt: Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

13 Dubbers: Physik IV SS 2010 3. H-Atom Einzelheiten
3.4 Feinstruktur ℓ·s +Ze e E Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

14 Dubbers: Physik IV SS 2010 3. H-Atom Einzelheiten
Eigenwerte von l·s ℓ j s Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

15 Beispiel für Feinstruktur-Aufspaltung
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16 Relativistische Kinematik
E = γm0c2 m0c2 pc Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

17 Kür: Weitere relativist. Energie-Verschiebungen
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18 Relativistische Gesamt-Korrekturen
Termschema:     S (l = 0)          P (l = 1)          D (l = 2) n = 3     n = 2     n = 1                                                                            relativist. Korr Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

19 Zeeman-Effekt der Feinstruktur
N.B.: gℓ = 1, gs = 2. B s ℓ Halbklass. Betrachtung: Äusseres Feld B; Magn. Moment μj erzeugt inneres Feld Bi || j. z ℓ j s B kleines Feld B: schnelle Präzession vom s und ℓ um inneres Bi || j, langsame Präzession von j um kleines äußeres B. großes Feld B : (Paschen-Back): s und ℓ präzedieren schnell um B. Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

20 3.5 Hyperfeinstruktur I·j
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21 Dubbers: Physik IV SS 2010 3. H-Atom Einzelheiten
Hfs-Aufspaltung  F j e p Bj I j Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

22 Hfs-aufspaltung im H-Atom
Feinstruktur Hyperfeinstruktur 22P3/2 22P1/2 j = ½ '21cm Linie' Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

23 Zeeman-Aufspaltung der Hfs
E E ms= +½ E0 E− ms= −½ Bz H-Atom Grundzustand: j = ½, I = ½ Anlegen eines äusseren Magnetfeldes Bz Zeeman-Effekt ohne Hyperfeinstruktur: Zeeman-Effekt mit Hyperfeinstruktur (inneres Magnetfeld Bi = 40 mT): F = 1 F = 0 mF +1 1 ms m +½ +½ +½ −½ −½ −½ −½ +½ 40 mT = Bi → Bz Bz >> Bi: j = s und  'gute Quantenzahlen' Bz<< Bi: F ist 'gute Quantenzahl' Bz F I j Bz I j Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

24 Dubbers: Physik IV SS 2010 3. H-Atom Einzelheiten
3.6 Lamb-Verschiebung s r(t) r0 "QED" r V(r) r0 l = 1, j = ½: Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

25 Dubbers: Physik IV SS 2010 3. H-Atom Einzelheiten
Vakuum-Polarisation e+ e− Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

26 Lamb-Verschiebung im H-Atom n=2
ν = 1.0 GHz "metastabil" kurzlebig Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

27 Lamb Verschiebung Experiment
2S½ → 2P½ Übergang: metastabil → kurzlebig metastabiler 2S½ Atomstrahl Detektor für metastabile Atome Kollimator thermische Dissoziation Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

28 Lamb Verschiebung Messergebnis
Hochfrequenz-Spektroskopie: 1 1 3 2 2 Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

29 Direkte Messung der Lambshift
Laser-Spektroskopie: n = 3 n = 2 Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten

30 H-Atom Komplettes Spektrum
Zeeman Dubbers: Physik IV SS H-Atom Einzelheiten