05.02.2014
Thorium besitzt als schweres Element eine enorme Fülle von Energieniveaus und Spektrallinien, sowohl als neutrales Atom mit vier, wie auch als Th+-Ion mit drei Valenzelektronen. Thorium-Argon Entladungslampen werden daher vielfach zur Wellenlängenkalibrierung von astronomischen Spektrographen eingesetzt, wobei auf annähernd 20 000 tabellierte Linien von Th und Th+ zurückgegriffen werden kann. Dennoch ist die Information über die Niveaustruktur von Th+ damit keinesfalls komplett: Insbesondere bei höheren Anregungsenergien über 7 eV waren kaum Energieniveaus bekannt, da diese Zustände in Entladungen nicht effizient angeregt werden.
Durch Zwei-Photonen Laseranregung von gespeicherten Th+ Ionen wurde jetzt erstmals systematisch nach Energieniveaus oberhalb von 7 eV Anregungsenergie gesucht. Im Bereich zwischen 7,3 und 8,3 eV wurden neben einem bereits tabellierten Niveau [1] 43 bisher unbekannte Niveaus gefunden und bezüglich Anregungsenergie, Sättigungsintensität, Parität und teilweise auch der Drehimpulsquantenzahl charakterisiert [2]. Das Interesse an diesen Daten liegt im Wesentlichen darin begründet, dass in diesem Energiebereich der erste angeregte Kernzustand des Isotops 229Th vermutet wird, dessen Anregung vom Kern-Grundzustand aus die Basis einer neuartigen und höchst präzisen optischen „Kernuhr“ bilden kann. Leider ist die experimentelle Beobachtung dieser Anregung bisher nicht gelungen. Bei der Suche danach spielen nun die Energieniveaus von Th+ eine wichtige Rolle, da sie in einem sogenannten „elektronischen Brückenprozess“ eine Laseranregung des Kerns deutlich effizienter machen [3]. Dabei wirkt die Elektronenhülle gewissermaßen wie eine abgestimmte Antenne, deren Wirksamkeit von den Eigenschaften der elektronischen Energieniveaus abhängig ist. Die hohe Zahl der nun gefundenen Energieniveaus macht das Auftreten von effizienten Brückenprozesses sehr wahrscheinlich und bietet daher eine gute Grundlage für eine systematische Suche nach der Laseranregung des 229Th-Kerns.
Verteilung von Energieniveaus des Th+ Ions mit gerader Parität, J=3/2, 5/2, 7/2. Schwarz: Daten aus Ref. [1], Rot: neue Daten aus Ref. [2].
Literatur:
[1] R. Zalubas, C. H. Corliss, Energy levels and classified lines in the second spectrum of thorium, J. Res. Natl. Bur. Stand. Sect. A 78A, 163 (1974)
[2] O. A. Herrera-Sancho, N. Nemitz, M. V. Okhapkin, E. Peik, Energy levels of Th+ between 7.3 and 8.3 eV. Phys. Rev. A. 88, 012512 (2013)
[3] S. G. Porsev, V. V. Flambaum, E. Peik, and Chr. Tamm, Excitation of the iso meric 229mTh nuclear state via an electronic bridge process in 229Th+, Phys. Rev. Lett. 105, 182501 (2010)