Experimentalphysik III (Atomphysik)

10.5. Elektronenspinresonanz, Doppelresonanz, Optisches Pumpen 197
10.5 Elektronenspinresonanz, Doppelresonanz,
Optisches Pumpen
Als Elektronenspinresonanz (ESR) bezeichnet man Übergänge zwischen den durch verschiedene
Werte der magnetischen Quantenzahl m charakterisierten Energiezustände von Elektronen. Die
Übergangsfrequenzen liegen bei den verwendeten Magnetstärken meistens im Bereich der Zentimeterwellen
(Mikrowellen), im Gegensatz zum in Kapitel 10.1 besprochenene Zeeman–Effekt,
bei dem die Übergänge im optischen Spektralbereich zu beobachten sind, d.h. bei denen sich
nicht nur die magnetische Quantenzahl ändert.
Paramagnetische Atome (J �= 0) zeigen im
Grundzustand eine Zeeman–Aufspaltung im
äußeren Feld. Der Termabstand beträgt
∆E B = µ B · g J · B.
Klassisch bedeutet dies, daß der Atomkreisel
�J um die z–Richtung mit der Larmorfre-
quenz:
ωL = |�µ|| � B|
| � J| = g �
J J(J +1)µBB � =
J(J +1)�
∆E
�
Abb. 10.8: Aufspaltung im äußeren Feld.
= γB (unabhängig von α) präzidiert.
Wird jetzt senkrecht zu � B ein HF–Feld mit derselben Frequenz ωL = ∆E
eingestrahlt, so
�
weitet sich der Winkel α auf und � J vollführt eine Spiralbahn. Denn stimmt die Frequenz ω des
HF–Feldes mit der Präzessionsfrequenz ωL überein, so kommt es ständig zu einer Vergrößerung
bzw. zu einer Verkleinerung des Neigungswinkels α, je nachdem ob das Feld in Phase oder in
Gegenphase mit der Präzessionsbewegung ist.
Im klassischen Kreiselmodell bewegt sich die Spitze des Kreisels auf einer Spiralbahn aus einer
stabilen in eine andere stabile Lage. Im quantenmechanischen Bild hat der Spin nur diskrete
stationäre Einstellmöglichkeiten im zeitlich konstanten Magnetfeld. In diesem Bild führt der
Spin unter dem Einfluß des Wechselfeldes � B Übergänge zwischen diesen disketen Energieniveaus
aus, d.h. er klappt von der einen Einstellrichtung in die Andere.
Die ESR wurde 1945 von Zavoisky zum erstenmal beobachtet: Der Nachweis geschieht mittels
Absorption aus dem Klystron–Mikrowellenfeld.
Anwendung:
• Zur Präzisionsbestimmung des g–Faktors des Elektrons,
• zur Messung des g–Faktors von Atomen im Grundzustand zum Zwecke der Termanalyse,
• zur Untersuchung von paramagnetischen Zuständen in Festkörpern: Leitungselektronen,
paramagnetische Ionen in Kristallen u.ä. .
Die unterschiedliche Polarisation der verschiedenen Zeeman–Komponenten kann man benutzen,
um auch ohne die erforderliche spektrale Auflösung, oder wenn die Linienbreite zu groß ist, doch
selektiv einzelne Zeeman–Niveaus des angeregten Zustands zu bevölkern. Dies ist der einfachste
Fall des optischen Pumpens, dem wir uns zum Schluß noch zuwenden werden.