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

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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.