Zur Magnetfeldmessung wurde ein Cäsiumabsorptionszellenmagnetometer benutzt. Dieses Meßgerät nutzt den Zeeman-Effekt aus, um die magnetische Flußdichte zu bestimmen. Unter dem Zeeman-Effekt versteht man die Erscheinung, daß sich die Spektrallinien vieler Atome in mehrere eng benachbarte Komponenten aufspalten, wenn die strahlenden Atome in ein Magnetfeld gebracht werden. Die rein spektroskopische Ermittlung der Linienaufspaltung, die proportional zum Magnetfeld ist, ist umständlich und als Meßprinzip wenig geeignet [Mil84]. Stattdessen findet das Prinzip des optischen Pumpens Anwendung.
Abbildung 2.1: Termschema von 
mit Feinstrukturaufspaltung
(FS), Hyperfeinstrukturaufspaltung
(HFS) und
Zeeman-Aufspaltung (die relativen Größen der
Aufspaltungen entsprechen nicht den tatsächlichen Verhältnissen).
Der Grundzustand des lautet 
. Es handelt sich also um ein wasserstoffähnliches
Einelektronenspektrum. Der zugehörige Hamiltonoperator mit äußerem Magnetfeld
hat die Form
Die Feinstrukturaufspaltung ist auf die Wechselwirkung zwischen
Elektronenspin und Bahndrehimpuls zurückzuführen. Die Operatoren 
und
vertauschen bei Anliegen eines Magnetfeldes nicht mehr mit dem
Hamiltonoperator. Sie koppeln zum Gesamtdrehimpuls der Hülle 
. Die Zusatzenergie der Aufspaltung beträgt
Diese Aufspaltung erfolgt aufgrund der Wechselwirkung zwischen
Hüllendrehimpuls 
und Kernspin 
. Sie koppeln zum
Gesamtdrehimpuls des Atoms 
, so daß man die
Aufspaltungsenergie [May85]
erhält, wobei 
die Stärke des magnetischen Hüllenfeldes am Kernort bezeichnet.
Der Zeeman-Effekt kommt durch die Wechselwirkung des Gesamtdrehimpulses
mit einem nicht zu starken äußeren Magnetfeld zustande. Wird das
äußere Feld zu stark, so kommt es zu einer Entkopplung der Drehimpulse, so daß
ein fließender Übergang zum Paschen-Back-Effekt hin stattfindet. Die
zugehörige Energie lautet
Die äquidistante Energieaufspaltung beträgt demnach
Die Landéschen g-Faktoren berechnen sich wie folgt:
Abbildung 2.2: Prinzipdarstellung eines
Absorptionszellenmagnetometers [Sch71]
Abbildung 2.3: Pumpschema des
Cäsiumatoms. Hier ist die
Zeeman-Aufspaltung der am
Pumpvorgang beteiligten Hyperfeinstrukturniveaus dargestellt. Die
Energiedifferenz zwischen den Niveaus 
und 
entspricht einer Wellenlänge von 
(
-Linie).
Im thermodynamischen Gleichgewicht sind bei Zimmertemperatur die 2F+1
Zeeman-Niveaus des Cäsiums nahezu gleich besetzt. Durch das optische Pumpen
möchte man eine Besetzungsinversion erzeugen. Hierzu strahlt man parallel zum
Magnetfeld rechtszirkular polarisiertes Licht in eine Zelle, die -Dampf enthält, ein
( 
-Linie).
Das dafür benutzte Licht der sogenannten -Linie besitzt eine
Wellenlänge von . Durch geeignete Filter erreicht man, daß nur noch
rechtszirkular polarisiertes Licht dieser Wellenlänge die Cäsiumzelle
durchdringt (Interferenzfilter, Polarisator). Aufgrund der Impulserhaltung
können nur Übergänge mit der
Auswahlregel 
auftreten. Nach Absorption eines solchen Quants
hat sich also die Drehimpulsquantenzahl um eins erhöht. Dieser Zustand kann nun
spontan unter der Auswahlregel 
zerfallen. Da alle drei
Möglichkeiten gleich wahrscheinlich sind, findet man das Elektron
nach Absorption und spontaner Emission mit einer
Wahrscheinlichkeit von 2/3 in einem höheren Grundzustand wieder. Da dieser
Pumpvorgang ständig läuft, ist der Zustand 
derjenige mit der größten Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Die Absorption
des Cäsiumlichts in der Cäsiumzelle wird geringer, da sich fast alle
Elektronen auf diesem Niveau befinden. Entvölkert man diesen Zustand, so
absorbieren die Cäsiumatome das Licht wieder, und man stellt hinter der Zelle
ein Minimum der Intensität fest.
Die Entvölkerung erfolgt durch reine
induzierte Zeeman-Übergänge mit 
. Dies erreicht man durch
Einstrahlung eines geeigneten Hochfrequenzfeldes, das der Bedingung
genügt. Aus 2.16 läßt sich nun die magnetische Flußdichte B
berechnen. Sie ist mit dem Faktor
proportional zur eingestrahlten Hochfrequenz.