Kleines Lehrbuch der Astronomie und Astrophysik - Astronomie.de

104
Teleskope, Detektoren, Meßgeräte
Die Ursache für die Linienaufspaltung ist in der Wechselwirkung des magnetischen Moments der
Atome mit dem anliegenden Magnetfeld zu suchen. Es sind dabei zwei Fälle zu unterscheiden. Bei
Atomen und Ionen mit geradzahliger Elektronenzahl ist die Gesamtspinquantenzahl der
Leuchtelektronen Null (d.h. S=0), wenn ein sogenannter Singulettzustand vorliegt. In diesem Fall
können nur die magnetischen Bahnmomente mit einem äußeren Magnetfeld wechselwirken.
Bezeichnet l die Quantenzahl des gesamten Bahndrehimpulses, dann gibt es genau 2l+1
Einstellmöglichkeiten des magnetischen Moments des Atoms in Bezug auf ein magnetisches Feld B.
Diese diskreten Einstellmöglichkeiten werden durch die magnetische Quantenzahl ml beschrieben,
welche die Werte –l, -l+1, -l+2, ... +l annehmen kann. Die Energiedifferenz zwischen benachbarten
Unterniveaus ist in diesem Fall durch folgende einfache Beziehung gegeben
∆ E = µ B
[1.61]
B
−24
-1
( µ = 9.2741⋅ 10 JT , Bohr‘sches Magneton).
B
wobei die möglichen Energiedifferenzen durch die Auswahlregel m = 0 , ± 1 eingeschränkt sind. Für
die Frequenzaufspaltung der aus den Übergängen resultierenden Spektrallinien gilt in weiten Grenzen
die Beziehung
B B E µ
ν
h h
∆
∆ = = ± [1.62]
Je nachdem, wie das Feld B relativ zum Beobachter ausgerichtet ist, beobachtet man entweder einen
longitudinalen oder transversalen Effekt.
Der hier kurz beschriebene Fall wird als normaler Zeeman-Effekt bezeichnet. Befinden sich dagegen
die emittierenden Atome nicht in einem Singulettzustand – die Grundbedingung für einen normalen
Zeeman-Effekt -, dann entsteht eine weitaus kompliziertere Linienaufspaltung die den Namen
„anomaler Zeeman-Effekt“ erhalten hat. Bei diesem Vorgang spielt der Elektronenspin eine wichtige
Rolle. Er muß bei der Berechnung der Energiedifferenzen zwischen den einzelnen Unterniveaus
berücksichtigt werden, was zur Einführung der sogenannten Lande’-Faktoren (g-Faktoren) führt.
Richtig betrachtet ist demnach der anomale Zeeman-Effekt der allgemeine Fall. Da sich aber einmal
eingebürgerte Begriffe kaum mehr ändern lassen, bleibt es bei dieser inkonsequenten
Bezeichnungsweise.
Der Wertebereich des g-Faktors liegt zwischen 0 und 3, wobei der Wert 1 (der im Fall des
transversalen Zeeman-Effekts zur Aufspaltung in eine π - Komponente und zwei σ -Komponenten
führt) häufig vorkommt. Er läßt sich mit quantenmechanischen Methoden für jede Atomsorte
berechnen. Da die Linienaufspaltung dem Produkt
∆ l
2
gλ proportional ist, werden für Magnetographen
(s. u.) gerne Linien mit g>1 verwendet, die deshalb möglichst im roten Bereich des Spektrums liegen
sollten. Beispiele sind die Eisen-Linien bei 525 nm (g=3) und 868.8 nm Wellenlänge (g=1.66).
Auf der Sonne sind nur die lokalen Magnetfelder im Bereich der Sonnenflecke stark genug, um mit
hochauflösenden Spektrographen die Linienaufspaltung deutlich zu zeigen. Ein Magnetfeld der Stärke
0.3 T führt z.B. zu einer Aufspaltung von 0.015 nm, die noch gut meßbar ist (in Sonnenflecken treten