Hyperfeinstruktur in der ESR: Unterschied zwischen den Versionen

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Dieser Versuch beschäftigt sich mit der Messung des Intervallfaktors in der <span class="plainlinks">[http://de.wikipedia.org/wiki/Hyperfeinstruktur Hyperfeinstruktur]</span> des atomaren Wasserstoffs. Dieser Faktor gibt die Wechselwirkung zwischen dem ungepaarten S-Elektron und dem Kernspin wieder und führt zu einer Aufhebung der Entartung bezüglich der beiden möglichen Spineinstellungen des Elektron- und Kernspins (parallel oder anti-parallel).
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Die Energiedifferenz, die mit dieser Aufspaltung verbunden ist, entspricht der bekannten 21 cm-Linie (1420 MHz) des Wasserstoffs. Jedoch wird in diesem Versuch kein atomares Wasserstoffgas benutzt, sondern separierte Wasserstoffatome, die in einer gefrorenen Ammoniak-Matrix eingebettet sind.
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Des weiteren wird die Breit-Rabi-Formel für unseren Fall experimentell nachgewiesen.
  
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== 315 Hyperfeinstruktur in der Elektronenspin-Resonanz ==
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Der Versuch findet in NB 04/290 statt.
  
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[http://f-praktikum.ep1.ruhr-uni-bochum.de/anleitung/Versuch315.pdf Anleitung]
  
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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.
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This experiment deals with the measurement of the interval factor in the <span class="plainlinks">[http://de.wikipedia.org/wiki/Hyperfeinstruktur hyperfine structure]</span> of atomic hydrogen. This factor reflects the interaction between the unpaired S-electron and the nuclear spin and leads to a cancellation of the degeneracy with respect to the two possible spin settings of the electron and nuclear spin (parallel or anti-parallel).
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The energy difference associated with this splitting corresponds to the well-known 21 cm line (1420 MHz) of hydrogen. However, this experiment does not use atomic hydrogen gas, but separated hydrogen atoms embedded in a frozen ammonia matrix.
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Furthermore, the Breit-Rabi formula is experimentally proven for our case.
  
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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.
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The experiment takes place in NB 04/290.
  
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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.
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[http://f-praktikum.ep1.ruhr-uni-bochum.de/anleitung/Versuch315en.pdf students manual]
  
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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.
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[http://f-praktikum.ep1.ruhr-uni-bochum.de/anleitung/intervallfaktor.py Python-Skript]
  
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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.
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*Kontakt: Gerhard Reicherz gerhard.reicherz@rub.de, Tel. 23542, NB 2/127
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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.
 
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'''Vorzubereitende Themen:'''
 
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a) klassische und quantenmechanische Beschreibung des Drehimpulses, Spin
 
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b) magnetisches Moment, g-Faktor, Energie eines magnetischen Moments im äußeren Magnetfeld
 
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c) atomare Fein- und Hyperfeinstruktur-Wechselwirkung
 
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d) Drehimpulskopplung der Nukleonen im Grundzustand des Deuteriums und des Lithiums (N=6,7)
 
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e) Kristalliner Zustand des Festk"orpers, ionische- und kovalente Bindung
 
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f) Zeeman-Effekt, Paschen-Back-Effekt, Breit-Rabi-Formel
 
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g) Grundlagen eines Elektronenspin-Resonanzspektrometers
 
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Literatur:
 
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T. Mayer-Kuckuk 'Atomphysik'
 
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T. Mayer-Kuckuk 'Kernphysik'
 
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Bergmann-Schaefer 'Experimentalphysik Bd IV Teil 1+2'
 
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Jedes einfuehrende Lehrbuch zur Festkoerperphysik bezgl. der ESR-Apparatur mglweise Angabe aus Biophysik-ESR-Versuch
 
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Kontakt: Dr. Gerhard Reicherz reicherz@ep1.rub.de, Tel. 23542, NB 2/127
 

Aktuelle Version vom 17. März 2022, 16:17 Uhr

Dieser Versuch beschäftigt sich mit der Messung des Intervallfaktors in der Hyperfeinstruktur des atomaren Wasserstoffs. Dieser Faktor gibt die Wechselwirkung zwischen dem ungepaarten S-Elektron und dem Kernspin wieder und führt zu einer Aufhebung der Entartung bezüglich der beiden möglichen Spineinstellungen des Elektron- und Kernspins (parallel oder anti-parallel). Die Energiedifferenz, die mit dieser Aufspaltung verbunden ist, entspricht der bekannten 21 cm-Linie (1420 MHz) des Wasserstoffs. Jedoch wird in diesem Versuch kein atomares Wasserstoffgas benutzt, sondern separierte Wasserstoffatome, die in einer gefrorenen Ammoniak-Matrix eingebettet sind. Des weiteren wird die Breit-Rabi-Formel für unseren Fall experimentell nachgewiesen.

Der Versuch findet in NB 04/290 statt.

Anleitung

This experiment deals with the measurement of the interval factor in the hyperfine structure of atomic hydrogen. This factor reflects the interaction between the unpaired S-electron and the nuclear spin and leads to a cancellation of the degeneracy with respect to the two possible spin settings of the electron and nuclear spin (parallel or anti-parallel). The energy difference associated with this splitting corresponds to the well-known 21 cm line (1420 MHz) of hydrogen. However, this experiment does not use atomic hydrogen gas, but separated hydrogen atoms embedded in a frozen ammonia matrix. Furthermore, the Breit-Rabi formula is experimentally proven for our case.

The experiment takes place in NB 04/290.

students manual

Python-Skript

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