Laserspektroskopie

Einer der vielen Einsatzbereiche von RIMS ist die optische Laserspektroskopie an Atomen. Die extrem hohe Selektivität der Methode und der effiziente Nachweis einzelner Ionen ermöglichen Untersuchungen an sehr kleinen Probenmengen von seltenen Spezies, wie zum Beispiel Ultraspurenelementen oder radioaktive Isotopen.

Die präzise Vermessung von atomaren Übergängen liefert wichtige Informationen und ermöglicht den Test von aktuellen theoretischen Atommodellen. Eine fundamentale und für jedes Element charakteristische Größe ist beispielsweise das Ionisationspotenzial (IP), welches die Bindungsenergie des äußeren Elektrons im Atom beschreibt. Mittels hochauflösender RIMS kann auch diese Größe sehr exakt bestimmt werden. Hierzu werden Rydberg-Serien, Serien von Zuständen mit sehr hoher Hauptquantenzahl n im energetisch höher gelegenen Bereich der atomaren Spektren, und deren Konvergenzverhalten präzise untersucht.

In besonderen Fällen weißt ein atomares Spektrum eine chaotische Struktur auf und lässt sich nicht mehr durch klassische Ansätze beschreiben. Jedoch ist das Auftreten dieser Art von Quantenchaos nur sehr selten zu beobachten und daher Gegenstand aktueller Forschung.

Laserspektroskopie ermöglicht nicht nur die Bestimmung von atomaren Eigenschaften, sondern auch die Untersuchung von Eigenschaften des Atomkerns. Aufgrund der Wechselwirkung mit der Elektronenhülle, sind die magnetischen und elektrischen Momente des Kerns, der Kernspin und der Ladungsradius mittels der Hyperfeinstruktur und Isotopieverschiebung in den optischen atomaren Übergängen zugänglich. Aufgrund der relativ geringen Größe der Effekte wird für diese Art der Spektroskopie ein spezielles Lasersystem mit geringer spektraler Linienbreite im Bereich von etwa 20 MHz benötigt. Die präzise Untersuchung der Hyperfeinstruktur und der Isotopieverschiebung ermöglicht somit die Überprüfung von theoretischen kernphysikalischen Modellen und trägt zum besseren Verständnis des Aufbaus der Nuklidkarte bei. Des Weiteren erlaubt die exakte Kenntnis des Spektrums isotopen- und isomerenselektive Ionisation, was große Vorteile bei der selektiven Produktion von exotischen Ionenstrahlen und der analytischen Ultraspurenbestimmung von seltensten natürlichen oder anthropogenen Spezies bringt.

Alle oben genannten physikalischen Kenngrößen sind von besonderem Interesse für seltene Elemente, wie zum Beispiel Astat oder den Transuranen, und Isotope weit ab der Stabilität. Diese exotischen Spezies werden an Großforschungseinrichtungen wie dem CERN in Genf künstlich erzeugt und ebenfalls mittels Laserspektroskopie untersucht.