Techniklexikon

Mikrowellenspektroskopie am Wasserstoff

Atom- und Molekülphysik, Anwendung der Mikrowellenspektroskopie auf Messungen von Spektrallinien am Wasserstoff-Atom (H-Atom). Ein berühmtes Beispiel für ein solches Experiment ist die Entdeckung der Lamb-Shift im Jahre 1947 durch Lamb und Retherford. Im H-Atom sollte die Feinstrukturkorrektur nur vom Gesamtdrehimpuls, nicht aber vom Bahndrehimpuls abhängen (Drehimpuls), was eine Entartung der Zustände 2²S_1/2 und 2²P_1/2 zur Folge hat (Atomspektrum). Tatsächlich fanden Lamb und Retherford eine Aufspaltung von ca. 900 MHz. Die Anordnung zur Messung dieser Aufspaltung ist in Abb. 1 dargestellt: H₂-Moleküle werden in einem Ofen bei ca. 2 500 °C thermisch dissoziiert und durch Elektronenbeschuss in den metastabilen Zustand 2²S_1/2 angeregt. Diese Atome passieren einen abstimmbaren Mikrowellenresonator und werden dann von einem zustandsselektiven Detektor nachgewiesen. Dieser detektiert nur Atome im angeregten Zustand. Atome, die durch Absorption von Mikrowellenstrahlung in den Zustand 2²P_1/2 oder 2²P_3/2 übergehen, zerfallen unter Aussendung elektromagnetischer Strahlung in den Grundzustand. Dieser Übergang ist für Atome im Zustand 2²S_1/2 verboten. Lamb und Retherford fanden zwei Absorptionslinien bei ca. 900 MHz und 10 GHz. Die Resonanz bei 10 GHz entspricht dem Übergang 2²S_1/2 nach 2²P_3/2. Die Resonanz bei 900 MHz wurde mit dem Übergang 2²S_1/2 nach 2²P_1/2 in Verbindung gebracht.

Die Existenz dieser Energieverschiebung konnte erst im Rahmen der Quantenelektrodynamik erklärt werden.

Mikrowellenspektroskopie am Wasserstoff: Anordnung von Lamb und Retherford zur Messung der Lamb-Verschiebung.