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Maser
Der Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, Mikrowellenverstärkung durch angeregte Strahlungsemission) ist die dem Laser entsprechende Strahlungsquelle für den Mikrowellenbereich. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
GrundlagenEin Maser erzeugt kohärente elektromagnetische Wellen, die heutzutage einen Frequenzbereich von 105 Hz bis 1011 Hz (entsprechend 100 kHz bis 100 GHz) umfassen, entsprechend einem Wellenlängenbereich von Kilometern bis Millimetern. Die kleineren Wellenlängen sind mit Molekülschwingungen oder magnetischen Dipolübergängen in Atomen realisierbar. Das Hauptproblem beim Bau von Labormasern ist die Erzeugung der Besetzungsinversion. Die Grundidee des Masers (und auch des Lasers) wurde bereits 1951 von dem amerikanischen Physiker Charles H. Townes erkannt; zusammen mit James Gordon und Herbert Zeiger entwickelte er dann 1954 einen Ammoniak-Maser. Den Anstoß für die Entwicklung bildete das Bestreben, möglichst rauscharme Verstärker zu bauen; bis dahin gebräuchliche Verstärker wiesen aufgrund der Temperaturbewegung der Ladungsträger ein erhebliches Rauschen auf. Für den Maserübergang wird eine bestimmte Schwingung des Ammoniakmoleküls mit einer Wellenlänge von 12,7 mm genutzt, bei der das Stickstoffatom durch die von den drei Wasserstoffatomen aufgespannte Ebene hindurchschwingt. 1964 erhielt Townes zusammen mit den beiden sowjetischen Physikern Nikolai Gennadijewitsch Bassow und Alexander Michailowitsch Prochorow, die unabhängig von ihm die theoretischen Grundlagen für das Maser- und Laserprinzip geschaffen hatten, den Nobelpreis für Physik. Wasserstoff-MaserDer Wasserstoff-Maser wurde im Jahr 1960 von dem amerikanischen Physiker Norman Ramsey und seinen Mitarbeitern entwickelt; im Jahr 1989 erhielt Ramsey für seine Arbeiten den Nobelpreis für Physik. Bei ihm wird als aktiver Maserübergang die Hyperfeinstruktur des atomaren Wasserstoff ausgenutzt. Zum Spin des Atomkerns – in diesem Fall aus einem einzelnen Proton bestehend – kann sich das Hüllenelektron parallel oder antiparallel ausrichten. Zwischen diesen beiden Möglichkeiten besteht eine äußerst geringe Energiedifferenz von etwa 10-5 eV, der eine Frequenz von 1,42 GHz entspricht. Dieser Übergang ist auch aus der Radioastronomie als „21-cm-Linie“ als Nachweis für interstellaren Wasserstoff bekannt. Da in den Spiralarmen unserer Milchstraße große Mengen Wasserstoff vorhanden sind, trug diese Spektrallinie wesentlich zur Aufklärung ihrer Struktur bei. Auch bei diesem Gasmaser wird die Besetzungsumkehr durch Atomstrahlmethoden in inhomogenen Feldern (Zustands-Selektor) realisiert. Die angeregten, freien Wasserstoffatome gelangen dann in eine mit Teflon ausgekleidete „Speicherkugel“ aus Quarz. Die Speicherkammer ist von einem Mikrowellenhohlraum umgeben, der resonant auf die Frequenz des Übergangs zwischen den beiden Hyperstruktur-Zuständen abgestimmt ist, die von einem Mikrowellensender erzeugt wird. Die Strahlungsintensität der Mikrowellen wird durch induzierte Emission verstärkt. Wasserstoffmaser können über Jahre hinweg sehr stabil arbeiten. Die Speicherzeit für die einzelnen Atome beträgt etwa eine Sekunde und hat eine sehr große Frequenzgenauigkeit des Masers zur Folge; die Abweichung beträgt nur 1 Hz. Wasserstoffmaser dienen daher als hochgenaue Frequenznormale in Laboratorien und in Atomuhren. Ihre ausgezeichnete Frequenzstabilität erlaubt die Überprüfung von Aussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie, bei denen winzige Zeitdifferenzen die entscheidende Rolle spielen. Wasserstoff-Maser werden in der Radioastronomie für die VLBI-Methode genutzt, bei der es um eine zeitgenaue Aufzeichnung von Empfangssignalen verschiedener, weit entfernt voneinander betriebener Teleskope ankommt. Auch bei der Auswertung von Radarmessungen zur Bestimmung der Kontinentaldrift oder astronomischen Entfernungsmessungen, bei denen sehr kleine Laufzeitunterschiede gemessen werden müssen, sind die genauen Zeitnormale der Wasserstoffmaser nicht mehr wegzudenken. Weitere MaserZu den neueren Entwicklungen gehört der Rydberg-Maser. Bei ihm werden hinsichtlich ihrer Elektronenstruktur wasserstoffähnliche Atome (nur ein einzelnes Valenzelektron in der äußersten Schale, Beispiel: Rubidium) als aktives Material genutzt. Mit einem frequenzveränderlichen Farbstoff-Laser lassen sich diese einzelnen Außenelektronen auf sehr hohe, langlebige Energieniveaus nahe der Ionisationsgrenze pumpen. Das Herzstück des Masers ist ein auf die Temperatur flüssigen Heliums gekühlter zylindrischer Resonator, durch den der Strahl hochangeregter Atome geschickt wird. Maser-Oszillationen mit nur wenigen Kammeratomen können hier erreicht werden; im Extremfall befindet sich nur noch ein einziges angeregtes Atom in der Kammer. Kosmische MaserMaser erscheinen als künstliche Geräte, da die Besetzungsinversion, eine Bedingung für den Betrieb eines Masers, ein Zustand ist, der weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt ist und nur durch technische Tricks erreicht werden kann. So überraschte es, als in den 1960er Jahren mit Radioteleskopen Objekte im Kosmos entdeckt wurden, die natürliche Maserstrahlung aussenden. Die Entdeckung derartiger astronomischer Maser revolutionierte viele Erkenntnisse über unser Universum. Die frequenzscharfen Mikrowellen-Linien – vor allem die 18-cm-Linie des OH-Moleküls, aber auch die 1,35-cm-Linie des Wassermoleküls – geben Aufschluss über angeregte molekulare Gase um entstehende Sterne, über Veränderungen in Galaxien sowie über Hüllenprozesse in Roten Riesen und Überriesen. Allerdings sind die Pumpmechanismen dieser natürlichen Maser noch nicht restlos geklärt. In Frage kommen Anregungsprozesse durch Stöße mit interstellarem Staub oder optische Anregung durch die Strahlungsenergie benachbarter Sterne oder Infrarotquellen. Anwendungen
Literatur
Video
Kategorien: Spektroskopie | Atomphysik |
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