anomaler Zeeman-Effekt und Hyperfeinstruktur

Wir betrachten den anomalen Zeeman-Effekt an der türkisen Cadmium-Linie bei einer Wellenlänge von λ₀ = 480,0 nm, bzw. einer Frequenz von ν₀ = 624,6 THz. Der zugehörige Übergang findet zwischen den Niveaus ³S₁ (oberes Niveau) und ³P₁ (unteres Niveau) statt. Beide Niveaus besitzen einen Gesamtspin S = 1, so dass hier der anomale Zeeman-Effekt beobachtet werden kann. Der Gesamtdrehimpuls J des ³S₁-Zustands beträgt J = 1, dessen Gesamtdrehimpuls L beträgt L = 0, was zusammen mit dem Gesamtspin auf einen g_J-Faktor von g_J = 2 führt. Für den ³P₁-Zustand gilt J = L = 1 und mit S = 1 somit g_J = 1,5. Entsprechend der möglichen Gesamtdrehimpulse gilt für die Auswahlregeln ΔM_J = 0, ­±1, wobei M_J = 0 nach M_J = 0 für ΔJ = 0 verboten ist.

Insgesamt können folglich sechs Linien beobachtet werden. Dabei führt der Übergang mit ΔM_J = 0 zu zwei linear polarisierten Linien, die nur in der Richtung transversal zur magnetischen Flussdichte beobachtet werden können. Es handelt sich dabei um die sogenannten π-Linien. Die Übergänge mit ΔM_J = ­±1 führen zu den sogenannten σ-Linien, die eine einander entgegengesetzte zirkulare Polarisation aufweisen. Diese Linien erscheinen in transversaler Beobachtungsrichtung linear polarisiert. Die zirkulare Polarisation kann in longitudinaler Beobachtungsrichtung festgestellt werden.

Der folgende Ausschnitt des Termschemas fasst die theoretischen Überlegungen zusammen:

Bei im Experiment typischen magnetischen Flussdichten von B = 370 mT beträgt die typische Energieaufspaltung ΔE_S - ΔE_P = 1,04 · 10^-5 eV, bzw. die zugehörige Frequenzaufspaltung Δν = 0,0025 THz. Geht man von der ursprünglichen Wellenlänge von λ₀ = 480,0 nm aus, so beträgt die Verschiebung der Wellenlänge lediglich Δλ = 0,0019 nm, was noch einmal weniger ist als beim normalen Zeeman-Effekt. Um diese Aufspaltung auflösen zu können, bedient sich der Versuch eines Fabry-Pérot-Etalons, das über Vielstrahlinterferenz eine Auflösung von etwa 2,5 GHz erreicht.

Zusätzlich zum anomalen Zeeman-Effekt lässt sich bei diesem Experiment eine Hyperfeinstruktur beoboachten. Da es sich bei der verwendeten Lampe nicht um eine isotopenreine ¹¹⁴Cd-Lampe handelt, befinden sich darin auch die Isotope ¹¹¹Cd und ¹¹³Cd mit Kernspin 1/2. Mit diesem Kernspin wechselwirken die Elektronen, was zu theoretisch vier zusätzlichen Linien im Fall ohne äußere magnetische Flussdichte führt. Drei dieser Linien lassen sich beobachten, die vierte liegt nur 1,8 GHz von der Linie zu ¹¹⁴Cd entfernt. Zur Beobachtung dieser Linie reicht die Auflösung des Aufbaus nicht aus.