Vorlesungsskript Physik IV - Walther Meißner Institut - Bayerische ...

136 R. GROSS Kapitel 4: Das Wasserstoffatom4.1 Experimentelle BefundeDa Wasserstoff als Molekül vorliegt, muss man für die Spektroskopie an atomarem Wasserstoff erstdie H 2 -Moleküle dissoziieren. Dies kann man entweder durch hohe Temperaturen (1500-2000 ◦ C),durch geeignete Katalysatoren oder durch Elektronenstoß in einer Gasentladung erreichen. Für diehochauflösende Spektroskopie verwendet man üblicherweise Gitterspektrometer (siehe Physik III) oderhöchstauflösende Laserspektroskopie. Hierbei ist zu beachten, dass für λ < 200 nm Luft zu absorbierenbeginnt und man deshalb das Spektrometer evakuieren muss.Die hochauflösende Spektrometrie an Wasserstoff zeigt, dass die Emissionslinien des Wasserstoffatomssich zwar in Serien entsprechend (4.0.1) anordnen lassen, dass es aber signifikante Abweichungen vonden Vorhersagen des bisher verwendeten Modells gibt. Insbesondere werden folgende Beobachtungengemacht:• Bei Anlegen eines Magnetfeldes spalten die Linien in mehrere Linien auf.• Die Wellenzahlen ν ik der verschiedenen Übergänge hängen außer von den Hauptquantenzahlen nauch von der Bahndrehimpulsquantenzahl l ab. Die absoluten Zahlenwert von ν ik weichen beimWasserstoffatom um bis zu 0.2 cm −1 von der theoretischen Vorhersage ab.• Alle Spektrallinien, die von den s-Niveaus (l = 0) ausgehen, bestehen aus zwei eng benachbartenKomponenten, die man als Dubletts bezeichnet (siehe Abb. 4.1: Dublette 4/5, 6/7). Die Spektrallinienfür l > 0 bestehen sogar aus mehreren Komponenten.• Der Grundzustand (n = 1, l = 0) zeigt eine sehr feine Aufspaltung, die man als Hyperfeinstrukturbezeichnet. Man stellt fest, dass diese Hyperfeinstruktur für 1 1 H und 2 1H (Deuterium) unterschiedlichist, also vom Kern abhängt.(a)3D 5/23D 3/23P 3/2(c)3S 1/23P 1/2Lamb-Shift(b)2P 3/21 2 3 4 5 6 7Feinstruktur0 4 8 12∆ν ∆ν (GHz)2S 1/22P 1/2Lamb-ShiftAbbildung 4.1: Feinstruktur der Balmer-Linie H α gemessen mit (a) hochauflösender Spektroskopie und(b) mit höchstauflösender Laser-Spektroskopie. (c) Verfeinertes Termschema des Wasserstoffs. Die erlaubtenÜbergänge werden durch die Auswahlregeln bestimmt, die wir erst später diskutieren werden.c○Walther-Meißner-Institut