Feinstruktur des neutralen Tantal-Atoms

Obwohl seit vielen Jahrzehnten an der spektroskopischen Untersuchung der Anregungszustände der Elektronenhülle der Atome gearbeitet wird, sind für fast alle Atome Lücken und Fehler in den gebräuchlichen Wellenlängen- und Energieniveau-Tabellen festzustellen. So ist oft auch für sehr intensive Spektrallinien nicht bekannt, zwischen welchen atomaren Niveaus der Übergang stattfindet. In besonderem Maße betrifft diese Unkenntnis Atome mit komplizierten Spektren, die durch äußere nicht abgeschlossenen Schalen bedingt sind, z.B. von nur teilweise gefüllten d-Schalen. Die speziell hier geplanten Untersuchungen betreffen das Tantal-Atom, das drei Elektronen in der 5d-Schale besitzt. Mit Untersuchungen des Tantal-Spektrums beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe seit 1990, in Zusammenatbeit mit mehreren ausländischen Kooperationspartnern. Bei unserer experimentellen Arbeit werden Übergänge im Tantal-Atom mit Hilfe hochauflösender Laserspektroskopie angeregt und ihre Hyperfeinstruktur beobachtet, wobei zum Nachweis der Anregung optogalvanische Signale oder laser-induzierter Fluoreszenzsignale herangezogen werden. Aufgrund der bereits im Rahmen der Langzeit-Kooperation zwischen den Gruppen in Hamburg und Graz ermittelten Hyperfein-Daten ist es heute möglich, zur Identifizierung der Feinstrukturniveaus ihre Hyperfeinkonstanten zu verwenden und die Energie bisher unbekannter Niveaus zu errechnen. Zusammen mit den Kollegen aus Hamburg gelang es, bis jetz ca. 70 bislang nicht bekannte Energieniveaus zu finden, andere, in den Tabellen fälschlicherweise angeführte auszuschließen und eine Vielzahl von Spektrallinien als Übergänge zwischen bestimmten Niveaus zu klassifizieren. Die Untersuchungen konnten durch Verwendung hochauflösender Fourier-Transformations-Spektren auf das ultraviolette und infrarote Spektralgebiet ausgedehnt werden. Im vorliegenden Projekt sollen die Arbeiten systematisch weitergeführt und mit der Herausgabe neuer Wellenlängen- und Energieniveau-Tabellen für Tantal abgeschlossen werden.

Wie allgemein bekannt führte die Analyse der diskreten spektralen Emission freier Atome am Beginn des 20. Jahrhunderts zur Entwicklung erster Atom-Modelle. Die Emission von Spektrallinien konnte als hervorgerufen durch Übergänge zwischen stationären Zuständen der Elektronenhülle gedeutet werden, wobei die Differenz der Zustandsenergien dem emittierten Photon zukommt. Die energetische Anordnung der Energieniveaus bezeichnet man als Feinstrukur. Dieses Bild führte um 1925 zur Entwicklung der Quantenmechanik. Die verfügbare Information über die Energieniveaus wurde vom National Bureau of Standards (NBS, jetzt National Institute of Standards, NIST) gesammelt und zwischen 1949 und 1958 publiziert. Seither gelten diese Tabellen als Standardwerk. Diese allgemein benutzten Tabellen sind bei weitem nicht komplett und enthalten zahlreiche Lücken und Fehler, wie nicht existierende Energieniveaus, falsche Drehimpulse, oder falsche Termbezeichnungen. Das gegenständliche Projekt war der Untersuchung eines Elements gewidmet, für das recht wenig Information über die Struktur der Elektronenhülle vorlag: Tantal. Neben der Analyse der Wellenlängen der spektralen Emissionslinien, unterstützt durch Untersuchungen in externen magnetischen Feldern zur Bestimmung der Drehimpuls-Quantenzahlen der beteiligten Energieniveaus (Levels) wurde hier die Auswertung von Fourier-Transformations-Spektren mit hoher Auflösung mit laserspektroskopischen Untersuchungen kombiniert. Außerdem wurde der Umstand genutzt, daß der Tantal-Atomkern ein Kernmoment mit der Quantenzahl I = 7/2 besitzt. Die magnetische Wechselwirkung zwischen Kern und Elektronenhülle und das nicht rotationssymmetrische elektrische Kernfeld (charakterisiert durch sein Quadrupolmoment Q) bewirken eine sogenannte Hyperfein-Aufspaltung der Energieniveaus, die durch zwei Faktoren, A und B, beschreibbar ist. Diese Wechselwirkung ist groß genug, um die beobachteten Spektrallinien in bis zu 21 voneinander getrennte Komponenten aufzuspalten. Daher können - zusätzlich zu den üblicherweise verwendeten Größen (Niveauenergie, Parität, Drehimpuls-Quantenzahl J, magnetischer g-Faktor) die Niveaus durch ein Paar von Hyperfeinkonstanten charakterisiert werden. Wir konnten zeigen, daß dieses Paar für jeden J-Wert eindeutig das Niveau kennzeichnet. Diese Tatsache ist die Grundlage der Identifizierung von Spektrallinien, die nicht als Übergänge zwischen bereits bekannten Energieniveaus gedeutet (also "klassifiziert") werden können. In den meisten Fällen wurden solche Linien mit Hilfe von Laserlicht angeregt. Die Kombination aller experimentellen Größen führte zur Entdeckung einer großen Anzahl zuvor unbekannter Energieniveaus. Heute enthält unsere Datenbank etwa 6000 klassifizierte Tantal-Linien, und wir haben die Anzahl der bekannten Energieniveaus von ca. 270 auf etwa 550 erhöht. Tantal ist nun das Element für das die umfangreichsten Untersuchungen der Hyperfeinstruktur vorliegen. Trotz der vielen gewonnenen Information kann noch immer eine große Anzahl von Tantal-Spektrallinien nicht interpretiert werden. Die meisten davon sind Linien des einfach ionisierten Atoms im ultravioletten Spektralbereich.