Abstract Es wird eine Neuberechnung des Einflusses elektrischer Felder auf die Lebensdauer des metastabilen Niveaus des Wasserstoffatoms unter Berücksichtigung der Lamb-shift vorgelegt. Durch die Lamb-shift wird die mittlere Lebensdauer zwischen 0,03 und 10 Volt cm-1 um mehr als zwei Zehnerpotenzen verlängert.
Es wird gezeigt, daß sich die Balmerterme eines Atoms mit einem einzigen Elektron aus der neuen Quantenmechanik richtig ergeben und daß die in der bisherigen Theorie aus den Zusatzverboten von singulären Bewegungen entstehenden Schwierigkeiten, die insbesondere im Falle der gekreuzten Felder zutage treten, in der neuen Theorie verschwinden. Auch die Beeinflussung des Wasser-stoffspektrums durch äußere elektrische und magnetische Kraftfelder wird vom Standpunkt der neuen Quantenmechanik aus diskutiert. Die Berücksichtigung der Relativitätskorrektionen sowie die Berechnung der Übergangswahrscheinlichkeiten (Intensitäten) bleibt jedoch zunächst noch außer Betracht.
Der Einfluß zeitlich-fluktuierender magnetischer Felder und elektrischer Feldgradienten auf die Hyperfeinaufspaltung der Mößbauerstrahlung wird untersucht. Die Überlegungen gelten für die Klasse von Experimenten, in denen die Umgebung des Atomkerns als Wärmebad wirkt und Ursache für die Entstehung effektiver klassischer Felder ist. Zur Lösung des Prozesses der spontanen Emission in einem entarteten Zweiniveausystem wird der Formalismus der Liouville-Operatoren benutzt. In zwei Schritten wird die Dichtematrix des Gesamtsystems "Kern + Strahlungsfeld + Umgebung" so reduziert, daß ein Ausdruck für die Diagonalelemente der Dichtematrix für Kern und [gamma]-Strahlung übrigbleibt. Über die physikalische Beschaffenheit der Kernumgebung werden keine speziellen Voraussetzungen gemacht. Deren Existenz findet sieh in Korrelationsfunktionen bezüglich der felderzeugenden Störoperatoren wieder. Der Fall der magnetischen Dipolwechselwirkung in einem durch die magnetischen Dipolmomente und Kernspins charakterisierten Zweiniveausystem wird explizit behandelt. Die zeitlich-asymptotische Lösung, die für Meßdauern t > 1/[Gamma], 1/[gamma] gilt, führt auf eine Überlagerung frequenzverschobener Lorentzlinien mit modifizierter Linienbreite. Frequenzverschiebung [Lambda] und zusätzliche Linienbreite [gamma] der einzelnen Hyperfeinlinien sind explizit bekannte Funktionen der Kernspins, magnetischen Quantenzahlen und magnetischen Dipolmomente und hängen über die Feldkorrelationsfunktionen von der Umgebung ab.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Laserkühlung und der Speicherung von metastabilen Heliumatomen in inhomogenen elektrischen Feldern. Nach einer Einführung in die Grundlagen der Laserkühlung und Speicherung von neutralen Atomen und einem Überblick über experimentelle Techniken in diesem Bereich wird das Prinzip eines Stark-Slowers und eine spezielle Umsetzung für metastabiles Helium beschrieben. Die Laserkühlung der metastabilen Heliumatome, die sich im 2^3S_1-Zustand befinden, erfolgt über einen Übergang in den 3^3P_2-Zustand, wobei man die verhältnismäßig starke elektrische Polarsierbarkeit des 3^3P_2-Zustandes von 4.29 MHz/(kV/cm)^2 nutzt, um in elektrischen Feldern, die man gut im Labor herstellen kann, die während der Laserkühlung veränderliche Doppler-Verschiebung des UV-Laserlichtes (Wellenlänge 389 nm) zu kompensieren. Es wird ebenfalls beschrieben, wie man mit Hilfe eines schwachen Magnetfeldes von ca. 0.5 Gauß optisches Pumpen während der Laserkühlung unterdrücken kann, welches anderen Falls in elektrischen Feldern oberhalb von ca. 20 kV/cm zum Abreißen des Laserkühlungsprozesses führen würde. Der experimentelle Aufbau bestehend aus den verwendeten Lasern und der Vakuumapparatur zur Erzeugung des Heliumatomstrahls wird beschrieben. Als Lasersysteme kommt ein extern frequenzverdoppelter Single-Mode CW-Titan-Saphir-Laser (Wellenlänge 389 nm) und zwei Diodenlaser (Wellenlänge 1083 nm) zum Einsatz. Die Vakuumapparatur besteht aus einer flüssig Stickstoff gekühlten Düsenstrahlquelle für Helium, in der in einer Gasentladung in einem Teil der Heliumatome der metastabile 2^3S_1-Zustand bevölkert wird. Nach einem Abschnitt zur transversalen Laserkühlung und Abtrennung des metastabilen Anteils der Heliumatome vom Rest des Heliumatomstrahls folgt der eigentliche Stark-Slower zum abbremsen der metastabilen Heliumatome. In letzten Teil der Experimente ist die Vakuumapparatur noch um eine magneto-optische Falle zur Speicherung der kalten metastabilen Heliumatome erweitert worden. Die im Experiment gemessenen Flugzeitverteilungen der metastabilen Heliumatome werden mit einem Modell konstanter Beschleunigung und mit einer Computersimulation des Experimentes verglichen. Mit einer ersten Version des Stark-Slowers werden die metastabilen Heliumatome von ca. 1000 m/s auf ca. 180 m/s abgebremst. Nach einer Verbesserung des Stark-Slowers werden Endgeschwindigkeiten von ca. 30 m/s erreicht, die im Einfangbereich der magneto-optischen Falle liegen. Weiter wird die erfolgreiche Unterdrückung des optischen Pumpens in den 2^3S_1-Zustand mit m_J=0 gezeigt. Den Abschluß des experimentellen Teils bilden Messungen zur Speicherung der kalten metastabilen Heliumatome in der magneto-optischen Falle. Die Anzahl der metastabilen Heliumatome wird zu ca. 10^5 abgeschätzt. Die Temperatur der Heliumwolke liegt bei ca. 1.1 mK, wobei jedoch die Geschwindigkeitsverteilung der Heliumatome aber von einer Maxwell-Boltzmann-Verteilung abweicht. Die Ursache der Abweichung ist nicht bekannt. Im letzten Teil der Arbeit wird ein Modell einer elektro-dynamischen Falle beschrieben. Dabei werden Bewegungsgleichungen der Teilchen in einer solchen Falle hergeleitet, um anschließend zu untersuchen, für welche Parameter diese Fallen in der Lage sind kalte metastabile Heliumatome zu speichern. Abgeschlossen wird die Arbeit nach einer Zusammenfassung der Ergebnisse mit einen Ausblick auf zukünftige Experimente und Möglichkeiten, den Stark-Slower weiter zu verbessern.
ZusammenfassungDie Ein-Elektron-Atome sind die überschaubarsten Gebilde der Atomphysik. An ihnen lassen sich daher am einfachsten die Grundmechanismen der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Kern aufzeigen. Ihre Behandlung nimmt daher im Band I Kap.5 einen entsprechend breiten Raum ein. Während dort die Entfaltung des Lehrstoffs jedoch mehr nach didaktischen Gesichtspunkten ausgearbeitet ist, lassen wir uns im vorliegenden Kapitel mehr von physikalischen Merkmalen leiten. Zunächst gehen wir in Abschn.14.1 auf die Eigenschaften des Wasserstoffatoms bzw. der wasserstoffartigen Atome und wegen der Ähnlichkeit der Beschreibung auch auf die exotischen Atome ein. Sodann widmen wir uns in Abschn.14.2 Problemen der Aussendung spontaner und induzierter Strahlung einschließlich ihrer Auswahlregeln und besprechen einige Eigenschaften der ausgesandten Strahlung. Erst in Abschn.14.3 schauen wir uns die Effekte genauer an, die beim Anlegen äußerer elektrischer und magnetischer Felder auftreten. Auch hier konzentrieren wir uns hauptsächlich auf das H-Atom als typisches Beispiel.
Diese Arbeit hat zum Ziel, auf der Grundlage ausführlicher Simulationsrechnungen eine zweidimensionale Falle für neutrale Atome basierend auf elektrischen Wechselfeldern aufzubauen und das Fallenprinzip an kalten metastabilen Heliumatomen bzw. Rubidiumatomen zu demonstrieren. Mit dieser Art von Atomfallen ist geplant, gezielt Stöße ultrakalter neutraler Atome zu untersuchen. Diese sollten unabhängig von äußeren Feldern vor dem Stoß präpariert werden können, um Stoßquerschnitte in Abhängigkeit von der Spinausrichtung der Atome bestimmen zu können. Das eigentliche Element, an dem diese Untersuchungen durchgeführt werden sollen, ist das metastabile Heliumatom. Der Einfluß der elektrischen Felder auf neutrale Atome wird allerdings zu Testzwecken des Fallenaufbaus und der eingesetzten Hochspannungsschalter in Experimenten am Element Rubidium durchgeführt. Die experimentellen Voraussetzungen für die Speicherung neutraler Atome in elektrischen Feldern, das Bereitstellen ausreichend kalter Teilchenensemble, ist durch den Aufbau und Betrieb von magneto-optischen Fallen für metastabiles Helium und Rubidium gegeben. Die in der Arbeit vorgestellte elektrische Falle wird zuerst theoretisch behandelt. Die Bewegungsgleichungen für neutrale Atome in elektrischen Wechselfeldern werden aufgestellt, woraus sich Aussagen über die Stabilitätsbereiche ableiten lassen. Ebenso kann ein Ausdruck für die Fallentiefe hergeleitet werden. Die maximalen Fallentiefen ergeben sich für He* zu 32MHz bei einer Spannung von +/-15kV und einer Frequenz von 1100Hz und für Rubidium zu 12MHz bei U=+/-9kV und f=150Hz. Anschließende numerische Simulationen zur Speicherung eines kalten Rubidiumensembles zeigen auf, unter welchen Bedingungen eine effiziente Speicherung möglich ist. Als Ergebnis ist festzuhalten, daß bei Spannungen von U_0=+/-9000V bei einer Fallenfrequenz von f=200-250Hz ein Anteil von mehr als 7% der in der MOT gespeicherten Rubidiumatome in die elektrische Falle übertragen werden könnte. Die dabei erreichbaren Fallentiefen betragen 32 - 45µK. Der Einfluß der Gravitation kann durch eine konstante zusätzliche Spannung U_add, die an die oberen Elektroden angelegt wird, ausgeglichen werden. Die für die Realisierung der elektrischen Falle konzipierten Hochspannungsschalter und die eingesetzte Elektrodenstruktur werden detailliert beschrieben. Erste Hinweise auf das zweidimensionale Speichern von Rubidium in elektrischen Wechselfeldern liefern Messungen, die dokumentieren, daß durch den Betrieb der elektrischen Falle über einen Zeitraum von 16ms deutlich mehr Atome nachzuweisen sind, als die freie Expansion der Atomwolke zeigt. Aus den Daten geht hervor, daß mit der elektrischen Falle noch rund 15% der nach 2ms nachgewiesenen Atome vorhanden sind, während nach der selben Zeit, aber mit statischen elektrischen Feldern nur noch rund 5% nachzuweisen sind. Als Fallenparameter dienen dabei die aus den Simulationsrechnungen hervorgehenden Werte für die Spannungen - U_0=+/-9kV, U_add=+800V an den oberen beiden Fallenstäben zum Gravitationsausgleich - bei einer Frequenz von f=250Hz. Das Meßergebnis wird schließlich im Vergleich zu Simulationsergebnissen betrachtet und etwaige Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert. Als Anwendungsmöglichkeit des hier präsentierten Fallenprinzips wird das Konzept eines Speicherrings für neutrale Atome zur Untersuchung ultrakalter Stöße vorgestellt.
Abstract Da die Energie U und die elektrische Feldstärke (𝔈 eines (quantisierten) elektromagnetischen Feldes nicht gleichzeitig scharf sein können, ist unter einem kohärenten Zustand des Feldes ein solcher zu verstehen, bei dem sowohl U als auch 𝔈 möglichst wenig streuen. Unter der Annahme, daß nur eine Eigenschwingung des Feldes angeregt ist, werden die Unschärfen (der Querstrich bedeutet Mittelung über die Zeit t) vor und nach der induzierten Emission eines Photons berechnet, und zwar für den Fall eines kohärenten und eines (vollständig) inkohärenten induzierenden Feldes. In beiden Fällen vergrößert die induzierte Emission σ um den Betrag δσ = σ/2 N (N mittlere Zahl der vorhandenen Photonen). δσ ist viel kleiner für ein kohärentes als für ein inkohärentes Feld, weil dasselbe für σ selbst gilt. In diesem Sinn kann die induzierte Strahlung als kohärent zur induzierenden (kohärenten) Strahlung bezeichnet werden.