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Molekülphysik: Rotierende Moleküle zeigen Dopplereffekt

Polizei
Wenn ein Auto vorbeifährt, erlebt man den so genannten Dopplereffekt live: Solange sich das Fahrzeug nähert, klingt das Motorengeräusch hoch. Wenn es vorbeifährt, stürzt die Tonhöhe je nach Geschwindigkeit mehr oder weniger stark ab. Der Grund: Die Länge der Schallwellen wird gestaucht, wenn das Auto sich dem Beobachter nähert, und gedehnt, wenn es sich entfernt. Doch der Dopplereffekt macht sich auch bei Lichtwellen bemerkbar: Astronomen nutzen dies, um zu bestimmen, wie schnell sich ein Stern von der Erde entfernt oder sich ihr nähert. Sie nutzen den Effekt zudem, um die Drehgeschwindigkeit von rotierenden Himmelskörpern zu bestimmen. Denn ein Rand bewegt sich auf den Beobachter zu, während der andere sich entfernt. Nun haben Forscher aus den USA, Finnland, Japan und Frankreich gezeigt, dass dieser Rotationsdopplereffekt auch bei sehr viel kleineren Körpern auftritt: bei Molekülen.

Die Forscher um Darrah Thomas von der Oregon State University in Corvallis stießen dabei auf Überraschendes: Der Dopplereffekt, der von der Drehung von Molekülen herrührt, kann sogar größer sein als derjenige, der bei ihrer geradlinigen Bewegung auftritt – also wenn die Moleküle in einem Gas bei Raumtemperatur mit Geschwindigkeiten bis zu 1000 Kilometer pro Stunde herumrasen. Dies wirkt sich auf die Wellenlänge von Strahlung aus, die von Molekülen emittiert wird.

Bei der Spektralanalyse werden diese Wellenlängen benutzt, um den Aufbau und die chemischen Eigenschaften der Moleküle zu studieren. Wie beim herkömmlichen Dopplereffekt führt auch der neu entdeckte Rotationsdopplereffekt dazu, dass sich Emissionslinien der Moleküle verbreitern, da sich ein Teil der Moleküle vom Detektor entfernt und andere sich ihm nähern. Dadurch verschlechtert sich das Auflösungsvermögen der Spektralanalyse.

Zwar wurde schon vorher theoretisch vorhergesagt, dass mit der Molekülrotation ein Dopplereffekt verbunden ist, doch die experimentelle Bestimmung ist sehr schwierig. Gelungen ist sie den Forschern um Thomas nun bei der Untersuchung der Photoemissionsspektren von Stickstoffmolekülen. Dabei wird die Energie von Elektronen gemessen, die durch Röntgenstrahlung aus den Molekülen herausgeschlagen wird. Sie wird durch den Dopplereffekt beeinflusst. Durch die Bestimmung des Rotationsdopplereffekts könnten nun alle Mechanismen, die zu einer Verbreiterung der Emissionslinien führen, quantitativ erfasst werden und die Spektrenanalyse verbessern, schreiben die Forscher. (cm)

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  • Quellen
Phys. Rev. Lett. (im Druck), 2011

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