Isotopieverschiebung
Verschiebung atomarer und molekularer
Energieniveaus bei verschiedenen Isotopen der gleichen Atom- bzw. Molekülsorte.
In Isotopengemischen zeigt sich dieser Effekt als Aufspaltung von Spektrallinien
bestimmter Übergänge. In Atomen hat man zwei verschiedene Ursachen der
Isotopieverschiebung zu unterscheiden. Der Masseneffekt berücksichtigt die
Mitbewegung des Kerns in dem System Kern-Elektron. Diese Mitbewegung ist für
Kerne verschiedener Masse unterschiedlich und wird berücksichtigt durch die
Verwendung der effektiven Masse
,
wobei M und m die Kern- bzw. die Elektronenmasse sind. Die
Energieverschiebung durch den Masseneffekt ist am stärksten bei leichten
Systemen und nimmt proportional zu M-2 zu grösserer Masse hin
ab.
Bei schwereren Elementen ist der Volumeneffekt von Bedeutung. Dabei muss berücksichtigt
werden, dass der Kern keine Punktladung ist und dass Kerne verschiedener Isotope
unterschiedliche Ladungsverteilung haben. Der Volumeneffekt ist besonders
ausgeprägt bei Atomen mit ungepaarten s-Elektronen. Dies ist z.B. in
Alkalimetallen der Fall, wo das Valenzelektron ein s-Elektron ist. Diese
Elektronen haben eine endliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Kern. Dort ist
aber das Potential, das auf das Elektron wirkt, kein reines Coulomb-Potential
mehr. Der Kern mit der kleineren Masse hat auch die geringere Ausdehnung.
Dieser Unterschied in der Ausdehnung der Kernladungsverteilung bewirkt die
Aufspaltung der Energieniveaus. Mit modernen Methoden der Atomspektroskopie ist
es möglich, die Isotopieverschiebung zu messen (isotopenselektive Anregung).
In Molekülspektren ist neben der Schwerpunktsbewegung auch die
Relativbewegung der einzelnen Atome wichtig. In Schwingungs- und
Rotationsspektren unterscheiden sich die Energiequanten für verschiedene Massen
der Atome. Die Schwingungsenergie eines bestimmten Schwingungszustands ist
grösser für grössere Masse der Atome. Bei Rotationszuständen ist die Energie bei
grösserer Masse auf Grund des grösseren Trägheitsmoments höher als bei kleinerer
Masse.
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