Wasserstoffartige

Wasserstoffartige Systeme sind Atome oder Ionen mit nur einem Elektron, das ein zentrales Kation mit Kernladungszahl Z umkreist. Typische Beispiele sind das neutrale Wasserstoffatom (Z = 1) sowie hochionisierte Spezies wie He+, Li2+, Be3+, B4+ und ähnliche Systeme. Wegen der einfachen Elektronenkonfiguration dienen sie als wichtiges Modell in der Quantenmechanik und Spektroskopie.

Theoretisch lassen sich wasserstoffartige Systeme primär durch das Coulombpotential des Kerns beschreiben. Im nicht-relativistischen Coulombmodell ergeben sich die Energien E_n = -R∞ Z^2 / n^2, mit n der Hauptquantenzahl. Korrekturen berücksichtigen die reduzierte Masse μ = m_e m_N /(m_e + m_N) sowie Kerngrößen, Feinstruktur (relativistische Effekte und Spin-Orbit-Kopplung) und Quanten-Elektrodynamik (Lamb-Shift). Dadurch unterscheiden sich die spektralen Linien je nach Z und Isotopie leicht voneinander.

In der Praxis spiegeln sich diese Eigenschaften in den Spektren wider: Die Spektrallinien folgen n-abhängigen Muster wie beim Wasserstoff, verschieben sich jedoch durch Z^2. Hochionisierte wasserstoffartige Ionen zeigen stärkere relativistische Effekte, wodurch präzise Tests der Quanten-Elektrodynamik möglich werden. Die hohe Einfachheit des Systems macht es zu einem entscheidenden Referenzmodell in Experimenten und Theorie.

Anwendungen umfassen Spektroskopie, Astrophysik, Plasmadiagnostik sowie Tests fundamentaler Naturkonstanten und Kerngrößen. Beispiele sind Lyman- und Balmer-Serien von He+-, Li2+- und Be3+-Ionen, deren Analyse Informationen über Kernradius, Isotopieeffekte und grundlegende Wechselwirkungen liefert.