Techniklexikon

Hanle-Effekt

1924 von W. Hanle bei Experimenten zum Einfluss magnetischer Felder auf die Resonanzstrahlung von Quecksilber-Atomen gefundener Effekt. Es handelt sich hierbei um einen Spezialfall der Niveaukreuzungsspektroskopie, d.h. bei der Kreuzung zweier Energieniveaus treten Interferenzeffekte der Fluoreszenzphotonen auf. Im Quecksilberatom tritt eine solche Niveaukreuzung schon im verschwindenden Magnetfeld auf. Der Aufbau des Experiments ist in Abb. 1 dargestellt. Licht der Resonanzlinie bei l = 253,7 nm aus einer Hg-Dampflampe wird linear polarisiert und in eine Hg-Dampfzelle eingestrahlt. Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts und senkrecht zum elektrischen Feldvektor wird ein statisches, magnetisches Feld angelegt. In der Magnetfeldrichtung wird die Fluoreszenzstrahlung der Zelle mit einem Photomultiplier nachgewiesen. Die Polarisation der Fluoreszenzstrahlung wird mit einem Analysator untersucht. Ebenfalls in Abb. 1 ist der entsprechende Ausschnitt aus dem Termschema von Hg dargestellt. Bei verschwindendem Magnetfeld sind die magnetischen Unterzustände des angeregten Zustands 6³P₁ entartet. Durch die Anregung mit linear polarisiertem Licht werden die Unterzustände mit m = +1 und m = -1 nicht-statistisch besetzt. Überlappen die Unterzustände, so werden die Fluoreszenzphotonen der Polarisation s⁺ bzw. s^- mit einer festen Phasenbeziehung emittiert. Dies führt dazu, dass die beobachtete Polarisation der Fluoreszenzstrahlung linear ist. Bei zunehmendem Magnetfeld nimmt der Polarisationsgrad immer mehr ab, wie in Abb. 2 dargestellt. Der Polarisationsgrad P ist definiert als

wobei I_x und I_y die Lichtintensitäten sind, deren elektrischer Feldvektor in x- bzw. y-Richtung oszilliert. Der Polarisationsgrad in Abb. 2 ist relativ zur Nullfeldpolarisation P₀ aufgetragen. Ebenfalls aufgetragen ist der Drehwinkel a der Polarisation. Der Polarisationsgrad hat die Form einer Lorentz-Verteilung. Die Halbwertsbreite B_c ist ein für den entsprechenden Übergang charakteristischer Wert, für den gilt:

Dabei ist g der Landé-Faktor, t die Lebensdauer des angeregten Zustandes, m_e die Elektronenmasse und e die Elementarladung.

Die obige Gleichung verdeutlicht die Anwendbarkeit des Hanle-Effekts auf die Messung von Lebensdauern atomarer Niveaus: Durch Messung der Halbwertsbreite B_c kann bei bekanntem Landé-Faktor die Lebensdauer direkt bestimmt werden. Eine weitere Anwendung ist die Bestimmung von Stossquerschnitten z.B. für Depolarisation: Bei Teilchendichten ab ca. 10²¹ m^-3 stösst das angeregte Atom vor dem Aussenden des Fluoreszenzphotons mit anderen Atomen zusammen. Diese Stösse beeinflussen die Depolarisationskurve in charakteristischer Weise, sodass diese Prozesse mit dem Hanle-Effekt untersucht werden können. Des weiteren wird der Hanle-Effekt zur Messung extrem kleiner Magnetfelder bis in den Bereich 10^-14 T angewendet.

Hanle-Effekt 1: Schematischer Aufbau zur Messung des Hanle-Effekts und Termschema des Quecksilberatoms.

Hanle-Effekt 2: Depolarisationskurve und Drehwinkelabhängigkeit beim Hanle-Effekt und Termschema von Hg bei angelegtem äusserem Magnetfeld.