Hyperfeinstruktur

Die Hyperfeinstruktur ist die über die Feinstruktur hinausgehende Energieaufspaltung in den Spektrallinien der Atomspektren, die auf der Wechselwirkung der Hüllenelektronen mit höheren Kernmomenten (magnetische Dipol- und elektrische Quadrupolmomente) sowie auf der Isotopie der Elemente (= Zusammensetzung aus Isotopen) beruht.

Im engeren Sinne versteht man unter Hyperfeinstruktur die Aufspaltung der Energieniveaus eines Atomes aufgrund der Koppelung des magnetischen Kernmomentes

Die Koppelung bewirkt, dass der Gesamtdrehimpuls

Die Quantenzahl F ist halb- oder ganzzahlig und kann die Werte J+I,...,J-I im Abstand von 1 annehmen. J und I sind die Quantenzahlen des Hüllendrehimpulses und des Kerndrehimpulses.

Die Wechselwirkungsenergie beträgt

Dabei ist

Zur Bestimmung von V_HFS benötigt man die Größen g_I und B_J. g_I kann durch Kernspin-Resonanz-Messungen bestimmt werden. B_J kann man aus der Wellenfunktion der Hüllenelektronen bestimmen, die allerdings für Atome mit einer Ordnungszahl größer 1 nur numerisch zu berechnen ist. Die größte Hyperfeinstruktur-Aufspaltung liefern s-Elektronen, weil nur sie eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit größer 0 am Kernort haben.

Die Hyperfeinstrukturaufspaltung ist größenordnungsmäßig 1000fach kleiner als die der Feinstruktur.

In einem schwachen äußeren Magnetfeld spalten die Energieniveaus weiter auf nach der magnetischen Quantenzahl der Hyperfeinstruktur m_F (Zeeman-Effekt der Hyperfeinstruktur). In einem starken äußeren Magnetfeld entkoppeln der Kern- und der Hüllendrehimpuls, so dass man eine Aufspaltung nach der magnetischen Kernquantenzahl m_I beobachtet (Paschen-Back-Effekt der Hyperfeinstruktur).

Übergänge zwischen Hyperfeinstrukturzuständen werden in Atomuhren verwendet, weil ihre Frequenz konstant ist (wie die aller atomarer Übergänge) und mit hoher Genauigkeit mit relativ einfachen Mitteln zu erzeugen und zu messen ist, da sie im Radiofrequenz- oder Mikrowellenbereich liegt.

Die Übergangsfrequenz des Grundzustandes des Wasserstoffatoms zwischen F=1 und F=0 beträgt 1,420 GHz. Dem entspricht eine Wellenlänge von 21 cm. Die 21-cm-Linie ist von großer Bedeutung für die Radioastronomie. Durch Dopplerverschiebung dieser Linie lässt sich die Bewegung der Gaswolken relativ zur Erde bestimmen.