Tagungsbericht der VdS-Fachgruppe SPEKTROSKOPIE

Die Aufnahmen in Abb. 9 sind Bilder eines Laborversuchs
zum Zeeman-Effekt. Eine Cadmiumlampe
steht im Zentrum eines starken Magneten mit
durchbohrten Polschuhen. Der Magnet wird durch
das Netzgerät mit 4 A auf Dauer oder 5 A kurzzeitig
versorgt. Über eine Sammellinse (f = 10 cm fest
eingebaut), und einen roten Farbfilter wird ein
Fabry-Perot-Interferometer beleuchtet. Mit der Kamera
lassen sich die lichtstarken Interferenzringe
beobachten. Beobachtet man durch die Polschuhbohrung,
longitudinal zum Feld des Magneten, die
Cadmiumlampe so sieht man im Interferometer
konzentrische Kreise. Beim Zuschalten des Feldes
spalten sich diese Ringe in je zwei neue Ringe
(symmetrisch zur Lage des Ringes ohne Feld) auf.
Bei der Beobachtung transversal zum Magnetfeld
erfolgt nach Einschalten des Magnetfeldes eine
Aufspaltung in drei Ringe. Mit einem zwischengeschaltetem
Polfilter kann man, je nach Stellung des
Filters entweder den Mittelring oder die beiden Außenringe
ausblenden.
Die beteiligten Energieniveaus spalten im Magnetfeld
in 2L+ 1 Niveaus auf, so dass unter Berücksichtigung
der Auswahlregeln neun strahlende Übergänge
vorkommen, von denen allerdings immer
drei die gleiche Energie haben. Bei Beobachtung
quer zur Feldrichtung (transversaler Effekt) sind
zwei senkrecht und eine parallel zur Feldrichtung
polarisierte Linien zu beobachten, während bei Beobachtung
in Feldrichtung (longitudinaler Effekt) 2
zirkular polarisierte Linien beobachtet werden. Versuchsaufbau,
wie er von der Firma PHYWE für
Schulen angeboten wird (der Preis beträgt ca. 6000
Euro).
Beim Zeeman-Effekt werden die Spektrallinien aufgrund
eines Magnetfeldes verdreifacht (selten auch
noch mehr). Die mittlere Linie befindet sich auf der
Wellenlänge der ursprünglichen, für das Element,
Molekül oder Ion typischen Wellenlänge. Elektronen
im Atom sind bewegte Ladungen. Sie bilden
einen Kreisstrom. Die Lorentzkraft, die senkrecht
zu den Feldlinien des Magnetfeldes und senkrecht
zu der Bewegungsrichtung verläuft ,wirkt auf die
Elektronen und damit auf das Kräftegleichgewicht
zwischen der Zentrifugalkraft und der Coulomb-
Kraft. Je nach Bewegungsrichtung des Elektrons
addiert sich die Lorentzkraft nun auf die Zentrifugalkraft
oder subtrahiert sich von dieser. Die Änderung
der Kräftegleichung zeigt sich in einer anderen
Geschwindigkeit und nicht in einem kleineren oder
größeren Radius. Das ist bei den stufenartigen Energieniveaus
nicht möglich. Das Elektron fliegt
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auf seiner Bahn nun schneller oder langsamer, je
nach Bewegungsrichtung und besitzt damit eine andere
Energiemenge. Um auf die nächste Stufe zu
gelangen, muss es mehr oder weniger Energie aufnehmen,
je nachdem ob es gebremst oder beschleunigt
wurde. Die Energie hängt direkt mit der Wellenlänge
der absorbierten oder emittierten elektromagnetischen
Strahlung zusammen. Weil die Lorentzkraft,
egal, ob sie addiert oder subtrahiert wurde,
die gleiche ist, ist der Abstand zur ursprünglichen
Linie auf beiden Seiten gleich. Je größer diese
Entfernung ist, desto größer war auch die Lorentzkraft
und damit das Magnetfeld. Also lässt der
Zeeman-Effekt Rückschlüsse auf die Stärke des
Magnetfeldes zu. In der Formel sieht diese Gesetzmäßigkeit
dann folgendermaßen aus:
e
�E
� h � ��
� �B
� � h
4�
� m
Mit e = Elementarladung, m = Masse, h = Plancksches
Wirkungsquantum.
Beim anormalen Zeeman Effekt wird nicht nur die
Richtung der Bahn, sondern auch der Spin (die Eigenrotation
des Elektrons) miteinbezogen. Beides
hat Einfluss aufeinander, was sich in der Spin-
Bahnkopplung (Gesamtdrehimpuls J und Kopplung
der magnetischen Momente) ausdrückt. Die passende
Formel lautet:
e � h
�En,
j,
l,
m � � B � g � m
j
j
4�
� m
mit
j �(
j �1)
� l �(
l �1)
� s �(
s �1)
g �1
�
2 j �(
j �1)
Die genaue Entstehung von Sonnenflecken ist noch
ungeklärt. Sie entstehen an den Austrittspunkten
magnetischer Flussröhren aus der Sonnenoberfläche
(Photosphäre). Aber nicht jede dieser Austrittstellen
wird ein Sonnenfleck. Zuerst löst sich die Granulationsstruktur
der Sonne (Energie wird über sehr viele
Granulen abgegeben, die aussehen wie helle Flächen
auf dunklem Grund) auf, dann entsteht eine
kleine Pore. Dort wird die Materie mit bis zu 7200
Kilometer pro Stunde ins Innere der Sonne gezogen
und so an der Konvektion gehindert.
Da unser eigentliches Thema, der Vergleich mit einem
K0 -Spektrum leicht aus vorhandenen Arbeiten
geklärt werden konnte, möchten wir in der nächsten
sonnigen Zeit die Spektren der Sonnenflecken im
Verlauf auf ihrer Entwicklung (daher oben ihre
Klassifizierung). Unsere Helfer hatten allerdings