An Atome gebundene Elektronen dürfen keine beliebigen Energien besitzen, nur ganz bestimmte Werte sind erlaubt. Zwischen diesen diskreten Energieniveaus können sie allerdings hin- und herwechseln, wobei wiederum nicht jeder Übergang gleich wahrscheinlich ist. Manche treten sogar so selten auf, dass man von verbotenen Übergängen spricht. Genau solche haben Wissenschaftler um Wim Vassen von der Freien Universität Amsterdam in den Niederlanden nun im Heliumatom untersucht und damit überprüft, ob die theoretischen Vorhersagen der atomaren Struktur korrekt sind.

Das Forscherteam hatte es in seinem Versuch auf zwei metastabile Zustände im Atom abgesehen, genauer auf den Sprung eines Elektrons vom Triplett-Zustand 2³S₁ in den Singulett-Zustand 2¹S₀. Hierbei wird Energie in Form von Licht emittiert, dessen Frequenz sich aus der Differenz der beiden Energieniveaus ergibt. Der nun analysierte Übergang ist um 14 Größenordnungen unwahrscheinlicher als der am häufigsten gemessene und erlaubte Übergang im Heliumatom, berichten Vassen und seine Kollegen.

Die Wissenschaftler kombinierten in ihrem Experiment eine magnetooptische Falle mit präziser Laserspektroskopie, um den seltenen Übergang sowohl in Helium-4 als auch im Isotop Helium-3 zu realisieren und zu erforschen. Tatsächlich konnten sie die Frequenz des emittierten Lichts mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmten – und zwar tausendfach genauer als die entsprechenden Vorhersagen der Quantenelektrodynamik. Damit fordern die Ergebnisse die Theoretiker einerseits zwar heraus, doch andererseits stimmen die Werte immerhin mit ihren Berechnungen überein und zeigen deren Richtigkeit.

Zudem konnte das Team um Vassen anhand ihrer Messungen die Größe des Atomkerns von Helium-3 ableiten. Diese hat einen winzigen Einfluss auf die Lage der Energieniveaus und damit auch auf die emittierte Lichtfrequenz. Durch den Vergleich der Übergangsfrequenzen für die beiden Isotope leiten sie einen Kernladungsradius von 1,96 Femtometern ab. Dieser Wert stimmt mit direkten Messungen überein, ist aber zehnmal präziser. Ein anderer, ebenfalls durch spektroskopische Verfahren ermittelter Wert weicht dagegen leicht ab.

Die Spektroskopie von einfachen atomaren Systemen wie dem Heliumatom hat in der Vergangenheit eine entscheidende Rolle dabei gespielt, die Struktur von Atomen aufzuklären. Von der Analyse weiterer Energieübergänge bis hin zum Grundzustand im Heliumatom mit ähnlicher Technik erhoffen sich die Forscher, das Verständnis der Atomphysik weiter voranzutreiben. (mp)