Zeeman-Effekt - Aufspaltung von Spektrallinien im Magnetfeld

Aufspaltung von Spektrallinien im Magnetfeld

Termschema des Übergangs vom Zeeman-Effekt zum Paschen-Back-Effekt am Beispiel eines Linien-Sextetts von Helium. Zu Beobachten sind nur zwei Übergänge. Von Links nach Rechts: Die ungestörten Übergänge, der anomale Zeeman-Effekt, der Partieller Paschen-Back- Effekt und der Vollständiger Paschen-Back-Effekt, bei dem die Feinstrukturaufspaltung vollständig aufgehoben ist. Im Grenzfall verbotene Linien sind grau dargestellt.
Termschema des Übergangs vom Zeeman-Effekt zum Paschen-Back-Effekt am Beispiel eines Linien-Sextetts von Helium. Zu Beobachten sind nur zwei Übergänge. Von Links nach Rechts: Die ungestörten Übergänge, der anomale Zeeman-Effekt, der Partieller Paschen-Back- Effekt und der Vollständiger Paschen-Back-Effekt, bei dem die Feinstrukturaufspaltung vollständig aufgehoben ist. Im Grenzfall verbotene Linien sind grau dargestellt.

Bereits Faraday, der 1845 zeigte, dass sich die Polarisationsebene von Licht im magnetischen Feld dreht, vermutete eine Beeinflussung der Lichtemmission durch Magnetfelder. Neben vielen anderen Physikern versuchte Pieter Zeeman mehrfach vergebens dies nachzuweisen. Erst 1896 gelang es ihm die Aufspaltung von Spektrallinien im Magnetfeld zu beobachten. Sein ehemaliger Doktorvater Hendrik Antoon Lorentz lieferte eine klassische Deutung des Zeeman-Effekts. Das Besondere aus damaliger Sicht war die Bestimmung des Verhältnisses e/m und dessen Vorzeichens. Bestätigte es doch die 1897 von Thomsons mit dem Kathodenstrahl-Experiment im Magnetfeld gemessenen Werte und somit dessen Elektronen-Theorie. 1902 erhielten Zeeman und Lorentz den Nobelpreis für ihre Arbeit.

Um den anomalen Zeeman-Effekt und den Paschen-Back-Effekt zu verstehen wurde diese klassische Theorie erweitert und half letztendlich bei der Entdeckung des Spins und der Entwicklung der Quantenmechanik.

In diesem Praktikumsversuch werden sowohl der normale und der anomale Zeeman-Effekt als auch der partielle und der vollständige Paschen-Back-Effekt behandelt. Ziel des Praktikumversuchs soll ein tieferes Verständnis des Zusammenspiels von Theorie und Experiment sein. Es wird dabei der gleiche Wert auf die klassische Interpretation wie auf die quantenmechanische gelegt. Neben der Bestimmung des Verhältnisses e/m in Form des Bohrschen Magnetons μB sollen die Vorhersagen beider Theorien im Experiment überprüft werden.

Literatur

Eine Literaturmappe mit den hier angegebenen Quellen im Studienzentrum Physik, Gebäude S2|06

  1. E. Back, A. Landé, Zeemaneffekt und Multiplettstruktur der
    Spektrallinien
    (erste Auflage), Verlag von Julius Springer, Berlin 1925 (Seiten 5 – 11)
  2. H. Haken, H. C. Wolf, Atom- und Quantenphysik (5. Auflage), Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 1993 (Seiten 207 -220, 303 – 313)
  3. W. Grotrian, Graphische Darstellung der Spektren von Atomen und Ionen mit ein, zwei und drei Valenzelektronen II (erste Auflage), Struktur der Materie VII, Verlag von Julius Springer, Berlin 1928 (Seite 79 und 83)
  4. T. Mayer-Kuckuck, Atomphysik (5. Auflage), B. G. Teubner, Stuttgart 1997 (Seiten 96 – 110, 117 – 129, 180 – 191, 199 – 201)