4. Termstruktur freier Atome und Ionen

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This chapter is in the book Band 3 Quantenphysik - Atomare Teilchen und Festkörper

4 Termstruktur freier Atome und IonenFreie Atome und Ionen haben diskrete Energieniveaus und lösen bei Quantensprüngen(diskreten Emissionsprozessen) von einem höheren zu einem tieferen Energieniveau Ele-mentarereignisse in ihrer Umgebung aus, die mit geeigneten Detektoren beobachtet undgezählt werden können.Umgekehrt können durch Einwirkungen der Umgebung in freienAtomen und Ionen diskreteAbsorptionsprozesse, also Quantensprünge von tieferenzu hö-heren Energieniveaus ausgelöst werden. Dieser bei hinreichend schwacher Kopplung zwi-schen Objekt und Umgebung quantisierte Informationsfluss ist die experimentelle Basisfür präzise Messungen von Übergangsfrequenzen (Kap. 5).Aus einer gründlichenAnalyseder Spektren ergibt sich dieTermstruktur(Energieniveau-Schema) der atomarenTeilchen.In diesem Kapitel beschreiben wir die Termstruktur solcherTeilchen,die modellmäßigals klassisches Planetensytem mit einemZ-fach geladenen Kern und einer Anzahl Elek-tronen betrachtet werden können, also von Atomen und ihren Ionen. Wird bei der Berech-nung der Termstruktur nur die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Elektronen und(punktförmigem) Kern und der Elektronen untereinander berücksichtigt, so ergibt sich dieGrobstruktur(Abschn. 4.1). Berücksichtigt man auch die magnetische Wechselwirkungder Elektronen, insbesondere die Wechselwirkung zwischen Spin und Bahnbewegung,erhält man dieFeinstruktur(Abschn. 4.2). Wenn auch Ausdehnung und Struktur desKerns, insbesondere das mit dem Kernspin verknüpfte magnetische Kerndipolmoment inRechnung gestellt werden, kann auch Isotopieverschiebung undHyperfeinstrukturerklärtwerden (Abschn. 4.3).Das Wasserstoffatom und die wasserstoffartigen Ionen haben eine besonders einfacheTermstruktur und sind deshalb von besonderem Interesse nicht nur für die Atomphysik,sondern auch für grundlegende Untersuchungen zur Quantentheorie. Sie werden deshalbin Abschnitt 4.4 gesondert behandelt. Abschließend wird der Einfluss statischer magneti-scher und elektrischer Felder auf die Termstruktur beschrieben (Abschn. 4.5).4.1 GrobstrukturDieIAbbn. 2.2 bis 2.5 in Abschn. 2.1 zeigen beispielhaft Termschemata einiger Ele-mente des Periodensystems. Die Grobstruktur der Elemente der ersten Hauptgruppe desPeriodensystems (Alkali-Atome), die nur einValenzelektronhaben, konnte inAbschn. 2.4ähnlich wie die Termstruktur des H-Atoms mit einem Einelektronmodell erklärt werden.Wenn mehrere Elektronen in der äußersten Schale sind, kann die Wechselwirkung derValenzelektronen untereinander nicht mehr pauschal mit dem Ansatz eines effektivenZentralpotentialsVeff.r/erfasst, sondern muss genauer behandelt werden. Auch ist dieNäherung, dass bei einem Quantensprung nur ein Elektron seinen Zustand wechselt, nichtmehr gerechtfertigt.

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4 Termstruktur freier Atome und IonenFreie Atome und Ionen haben diskrete Energieniveaus und lösen bei Quantensprüngen(diskreten Emissionsprozessen) von einem höheren zu einem tieferen Energieniveau Ele-mentarereignisse in ihrer Umgebung aus, die mit geeigneten Detektoren beobachtet undgezählt werden können.Umgekehrt können durch Einwirkungen der Umgebung in freienAtomen und Ionen diskreteAbsorptionsprozesse, also Quantensprünge von tieferenzu hö-heren Energieniveaus ausgelöst werden. Dieser bei hinreichend schwacher Kopplung zwi-schen Objekt und Umgebung quantisierte Informationsfluss ist die experimentelle Basisfür präzise Messungen von Übergangsfrequenzen (Kap. 5).Aus einer gründlichenAnalyseder Spektren ergibt sich dieTermstruktur(Energieniveau-Schema) der atomarenTeilchen.In diesem Kapitel beschreiben wir die Termstruktur solcherTeilchen,die modellmäßigals klassisches Planetensytem mit einemZ-fach geladenen Kern und einer Anzahl Elek-tronen betrachtet werden können, also von Atomen und ihren Ionen. Wird bei der Berech-nung der Termstruktur nur die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Elektronen und(punktförmigem) Kern und der Elektronen untereinander berücksichtigt, so ergibt sich dieGrobstruktur(Abschn. 4.1). Berücksichtigt man auch die magnetische Wechselwirkungder Elektronen, insbesondere die Wechselwirkung zwischen Spin und Bahnbewegung,erhält man dieFeinstruktur(Abschn. 4.2). Wenn auch Ausdehnung und Struktur desKerns, insbesondere das mit dem Kernspin verknüpfte magnetische Kerndipolmoment inRechnung gestellt werden, kann auch Isotopieverschiebung undHyperfeinstrukturerklärtwerden (Abschn. 4.3).Das Wasserstoffatom und die wasserstoffartigen Ionen haben eine besonders einfacheTermstruktur und sind deshalb von besonderem Interesse nicht nur für die Atomphysik,sondern auch für grundlegende Untersuchungen zur Quantentheorie. Sie werden deshalbin Abschnitt 4.4 gesondert behandelt. Abschließend wird der Einfluss statischer magneti-scher und elektrischer Felder auf die Termstruktur beschrieben (Abschn. 4.5).4.1 GrobstrukturDieIAbbn. 2.2 bis 2.5 in Abschn. 2.1 zeigen beispielhaft Termschemata einiger Ele-mente des Periodensystems. Die Grobstruktur der Elemente der ersten Hauptgruppe desPeriodensystems (Alkali-Atome), die nur einValenzelektronhaben, konnte inAbschn. 2.4ähnlich wie die Termstruktur des H-Atoms mit einem Einelektronmodell erklärt werden.Wenn mehrere Elektronen in der äußersten Schale sind, kann die Wechselwirkung derValenzelektronen untereinander nicht mehr pauschal mit dem Ansatz eines effektivenZentralpotentialsVeff.r/erfasst, sondern muss genauer behandelt werden. Auch ist dieNäherung, dass bei einem Quantensprung nur ein Elektron seinen Zustand wechselt, nichtmehr gerechtfertigt.

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