Atomstrahlresonanzmethode

Atomstrahlresonanzmethode,

 

Molekülstrahlresonanzmethode, Rabi-Methode ['reɪbɪ-, englisch], eine von I. I. Rabi und Mitarbeitern 1938 entwickelte Präzisionsmethode der Hochfrequenzspektroskopie zur Bestimmung der elektrischen und magnetischen Momente von Atomkernen sowie der Hyperfeinstruktur von atomaren Energietermen durch Beeinflussung eines von starken inhomogenen Magnetfeldern abgelenkten Atom- oder Molekülstrahls durch ein magnetisches Hochfrequenzfeld. In einer Atomstrahlresonanzapparatur durchläuft ein durch Schlitze ausgeblendeter Strahl neutraler Atome oder Moleküle im Hochvakuum zwei sehr starke inhomogene Magnetfelder (A- und B-Magnet) gleicher Feldrichtung (z -Richtung) aber mit entgegengesetzten Feldgradienten und damit entgegengesetzter Ablenkwirkung sowie ein dazwischen erzeugtes homogenes Magnetfeld (C-Magnet) der Feldstärke H_z, in dem die magnetischen Momente der Strahlteilchen (besonders die Kernmomente bei fehlendem Atommoment) eine Larmor-Präzession ausführen. Wird nun dem homogenen C-Feld mithilfe einer haarnadelförmigen HF-Leitung ein zu ihm senkrechtes magnetisches Hochfrequenzfeld überlagert, so ruft dieses bei Übereinstimmung seiner (im Radio- bis Zentimeterwellenbereich liegenden) veränderbaren Frequenz mit der nur von H_z und dem magnetischen Moment abhängigen Larmor-Frequenz in den Strahlteilchen Quantenübergänge zwischen ihren Hyperfeinstrukturtermen und Änderungen der Kernspineinstellungen hervor; dieses »Umklappen« des (gequantelten) Kernspins bewirkt, dass die Strahlteilchen im nachfolgenden B-Feld so abgelenkt werden, dass sie entweder den Auffänger verfehlen (Flop-out-Methode) oder ihn gerade erreichen und registriert werden (Flop-in-Methode). Aus der so durch Resonanz bestimmten Larmor-Frequenz (bei der Dublettmethode aus der Differenz zweier Frequenzen) können die Kern-g-Faktoren (gyromagnetisches Verhältnis) und daraus wiederum die Kernspins und (bei deren Kenntnis) die Kernmomente errechnet sowie Informationen über Hyperfeinstrukturterme u. a. gewonnen werden.

 

Für die Genauigkeit der Messung ist die Länge und die Homogenität des C-Magnetfeldes entscheidend. Die mit einfachen Apparaturen erreichte Genauigkeit von besser als 10^-4 lässt sich durch eine Ramsay-Anordnung mit zwei HF-Haarnadeln noch verbessern.

 

Die Atomstrahlresonanzmethode ist eine Weiterentwicklung des Stern-Gerlach-Versuchs. Sie ist nur mit Atomen und Molekülen durchführbar, die kein resultierendes magnetisches Moment der Elektronenhülle (d. h. kein Atommoment) besitzen, das die Wirkung der einige 1 000-mal kleineren Kernmomente überdecken kann. Mit der Atomstrahlresonanzmethode konnten bei einer Reihe von Atomkernen erstmals das magnetische Dipolmoment, das elektrische Quadrupolmoment und der Kernspin bestimmt sowie die Hyperfeinstruktur und auch die Zeeman-Terme (Zeeman-Effekt) genau untersucht werden.