Zeeman-Aufspaltung von Cd in transversaler Beobachtungsrichtung in transversaler Beobachtungsrichtung bei einer magnetischen Flussdichte von etwa 300 mT
Zeeman-Aufspaltung von Cd in transversaler Beobachtungsrichtung bei einer magnetischen Flussdichte von etwa 300 mT; Copyright: Gillian Kiliani

normaler Zeeman-Effekt an der roten Cadmium-Linie

Versuch Nr. 154

Wir betrachten den normalen Zeeman-Effekt an der roten Cadmium-Linie bei einer Wellenlänge von λ0 = 643,8 nm, bzw. einer Frequenz von ν0 = 465,6 THz. Der zugehörige Übergang findet zwischen den Niveaus 1D2 (oberes Niveau) und 1P1 (unteres Niveau) statt. Beide Niveaus besitzen einen Gesamtspin S = 0, so dass hier der normale Zeeman-Effekt beobachtet werden kann. Entsprechend sind bei beiden Niveaus jeweils der Gesamtdrehimpuls J und der Gesamtbahndrehimpuls L identisch. Für das obere Niveau gilt J = L = 2, für das untere Niveau gilt J = L = 1. Aufgrund des fehlenden Spins ist der gJ-Faktor in beiden Niveaus identisch, so dass auch die Energieaufspaltung innerhalb der Niveaus bei Anlegen einer magnetischen Flussdichte identisch ist. Der gJ-Faktor beträgt jeweils gJ = 1. Entsprechend der möglichen Gesamtdrehimpulse gilt für die Auswahlregeln ΔMJ = 0, ­±1.

Von den neun theoretisch möglichen Übergängen fallen jeweils drei energetisch zusammen, so dass insgesamt drei Linien beobachtet werden können. Dabei führt der Übergang mit ΔMJ = 0 zu einer linear polarisierten Linie, die nur in der Richtung transversal zur magnetischen Flussdichte beobachtet werden kann. Es handelt sich dabei um die sogenannte π-Linie. Die Übergänge mit ΔMJ = ­±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:

Ausschnitt des Termschemas von Cd bei 644 nm
Ausschnitt des Termschemas von Cd bei 644 nm; Copyright: Dr. Gillian Kiliani

Bei im Experiment typischen magnetischen Flussdichten von B = 300 mT beträgt die Energieaufspaltung ΔE = 1,74 · 10-5 eV, bzw. die zugehörige Frequenzaufspaltung Δν = 0,0042 THz. Geht man von der ursprünglichen Wellenlänge von λ0 = 643,8 nm aus, so beträgt die Verschiebung der Wellenlänge lediglich Δλ = 0,0058 nm. 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.