2 Fragen zu Optischespumpen

Bei dem Versuch „Optisches Pumpen“ wird die Temperatur in der Regel nicht direkt mit der Hochfrequenz (HF) gemessen. Die Hochfrequenz dient dazu, die Energieniveaus der Atome (meist Rubidium oder Natrium) in Resonanz zu bringen und so die Besetzungsänderungen der Zeeman-Niveaus zu beobachten. Die Temperatur des Gasbehälters (z. B. der Rubidiumdampfzelle) wird meist separat mit einem Thermometer oder Temperatursensor gemessen, da sie einen Einfluss auf die Dampfkonzentration und damit auf das optische Pumpen hat. Die Hochfrequenz wird also zur Anregung der Atome verwendet, nicht zur Temperaturmessung. Die Temperaturmessung erfolgt unabhängig davon, meist mit einem klassischen Messgerät. Weitere Informationen zum Versuch findest du z. B. auf [Wikipedia: Optisches Pumpen](https://de.wikipedia.org/wiki/Optisches_Pumpen).

Beim optischen Pumpen mit Rubidium wird tatsächlich die Hochfrequenz (HF)-Resonanz gemessen, um Informationen über die Isotopenhäufigkeiten zu erhalten. Dabei nutzt man die Tatsache, dass Rubidium in der Natur hauptsächlich aus den Isotopen Rb-85 und Rb-87 besteht, die unterschiedliche Hyperfeinstruktur-Aufspaltungen besitzen. Im Experiment wird Rubidium-Dampf in einer Zelle durch Licht (meist einer D1- oder D2-Linie) optisch gepumpt, sodass sich die Besetzungen der Hyperfein-Niveaus ändern. Anschließend wird eine Hochfrequenzstrahlung angelegt, die die Atome zwischen den Hyperfein-Niveaus anregt. Die Resonanzfrequenzen unterscheiden sich für Rb-85 und Rb-87, da sie unterschiedliche Kernspins und damit unterschiedliche Hyperfeinaufspaltungen haben. Das Signal (z. B. die Transmission des Pumplichts) wird als Funktion der angelegten Hochfrequenz gemessen. Die Resonanzstellen entsprechen den jeweiligen Isotopen. Die relative Signalstärke der Resonanzen gibt Aufschluss über die Isotopenhäufigkeiten. Die Temperatur spielt dabei eine Rolle, weil sie die Rubidium-Dampfdichte beeinflusst: Bei höheren Temperaturen ist die Dichte größer, was das Signal verstärkt, aber auch zu Selbstabsorption und Linienverbreiterung führen kann. Um die Isotopenhäufigkeiten zu bestimmen, misst man typischerweise bei einer Temperatur, bei der das Signal gut aufgelöst und ausreichend stark ist – aber nicht bei verschiedenen Temperaturen, um die Häufigkeiten zu bestimmen. Die Temperaturmessung dient also eher der Optimierung des Signals, nicht der Isotopenanalyse selbst. **Zusammengefasst:** Die Isotopenhäufigkeiten werden durch die Auswertung der HF-Resonanzsignale bei einer geeigneten Temperatur bestimmt, nicht durch Temperaturvariation. Die Temperatur wird gewählt, um ein optimales Signal zu erhalten, nicht um die Häufigkeiten direkt zu messen.