Moleküldynamik: Schnappschuss von einem Elektron
Zu klein und zu schnell. Die Vorgänge in Atomen und Molekülen sind nicht gerade einfach zu erforschen. Es fehlt eine Kamera, mit der kontrollierte Momentaufnahmen des Geschehens möglich sind. Anscheinend dürfte dieses Problem demnächst gelöst sein.
© David Villeneuve (Ausschnitt)
Der Blitz dauert nur 2,7 Femtosekunden. Unvorstellbar kurz. Streckt man ihn in Gedanken auf eine Sekunde, dauert eine "echte" Sekunde ganze 86 Millionen Jahre an. Vor so langer Zeit hat es weder Menschen noch andere Primaten auf der Erde gegeben. Mögen Femtosekunden also für unsere Begriffe ultrakurz sein, im atomaren Maßstab reichen sie gerade aus für Schnappschüsse von den Elektronen, wie sie auf ihren Bahnen um die Kerne flitzen.
Femtosekundenblitze können natürlich nur spezielle Laser abgeben. Und auch sie sind lediglich ein Teil der Hightech-Apparatur, mit der das Wissenschaftlerteam um Jiro Itatani vom National Research Council of Canada jetzt die Orbital genannte Elektronenwolke um ein Stickstoffmolekül dreidimensional kartiert hat. Für jede Einzelaufnahme musste das Molekül zuvor genau in die vorgegebene Position gebracht und ausgerichtet werden. Ebenfalls eine Aufgabe für einen Laser, in dessen polarisiertem Licht sich der Stickstoff wie gewünscht anordnete.
Sofort nach dem Ausrichten kam der Messblitz. Mit seinem elektrischen Feld riss er das am lockersten gebundene Elektron aus seinem Orbital. Die zweite Hälfte der Welle zwang es wegen ihres umgekehrten Feldes aber gleich wieder zurück, sodass das Elektron mit dem Molekül kollidierte. Dabei gab es die Energie seines Schwunges als Oberschwingung der Laserfrequenz ab. Wie genau die Oberschwingung aussah, hing von der Geometrie des Orbitals sowie vom Winkel zwischen Molekül und Messblitz ab. Pro Aufnahme ließ sich eine Art "Schattenwurf" rekonstruieren – mit einer ganzen Reihe von Einzelmessungen ergab sich schließlich ein dreidimensionales Bild der Elektronenwolke.
Itatanis Modell entsprach genau den theoretischen Berechnungen, wie sie die Formeln der Quantenmechanik liefern. Doch Ziel der Wissenschaftler ist nicht, bekannte Daten zu bestätigen. Sie möchten experimentell verfolgen, was sich bislang dem neugierigen Auge der Forscher verschließt: die schnellen Abläufe bei chemischen Reaktionen. Wenn A und B miteinander reagieren, treten nämlich vor allem die Elektronen in Aktion. Stößt man die Vorgänge mit einem weiteren Laserpuls unmittelbar vor dem Messblitz an, könnte Bild für Bild ein dreidimensionaler Film des Geschehens mit ungeahnter räumlicher Auflösung entstehen. "Zu klein und zu schnell" wären Probleme von gestern.
Bevor diese Zukunftsszenarien Realität werden können, muss sich die neue Methode aber noch an weiteren Prüfsteinen bewähren. Der nächste Schritt wird die Vermessung komplizierterer Moleküle sein. Es bleibt abzuwarten, ob die Laserblitze ein paar Hundert Atome noch genauso souverän ablichten können, wie es ihnen mit den beiden Atomen des Stickstoffmoleküls gelungen ist.
Femtosekundenblitze können natürlich nur spezielle Laser abgeben. Und auch sie sind lediglich ein Teil der Hightech-Apparatur, mit der das Wissenschaftlerteam um Jiro Itatani vom National Research Council of Canada jetzt die Orbital genannte Elektronenwolke um ein Stickstoffmolekül dreidimensional kartiert hat. Für jede Einzelaufnahme musste das Molekül zuvor genau in die vorgegebene Position gebracht und ausgerichtet werden. Ebenfalls eine Aufgabe für einen Laser, in dessen polarisiertem Licht sich der Stickstoff wie gewünscht anordnete.
Sofort nach dem Ausrichten kam der Messblitz. Mit seinem elektrischen Feld riss er das am lockersten gebundene Elektron aus seinem Orbital. Die zweite Hälfte der Welle zwang es wegen ihres umgekehrten Feldes aber gleich wieder zurück, sodass das Elektron mit dem Molekül kollidierte. Dabei gab es die Energie seines Schwunges als Oberschwingung der Laserfrequenz ab. Wie genau die Oberschwingung aussah, hing von der Geometrie des Orbitals sowie vom Winkel zwischen Molekül und Messblitz ab. Pro Aufnahme ließ sich eine Art "Schattenwurf" rekonstruieren – mit einer ganzen Reihe von Einzelmessungen ergab sich schließlich ein dreidimensionales Bild der Elektronenwolke.
Itatanis Modell entsprach genau den theoretischen Berechnungen, wie sie die Formeln der Quantenmechanik liefern. Doch Ziel der Wissenschaftler ist nicht, bekannte Daten zu bestätigen. Sie möchten experimentell verfolgen, was sich bislang dem neugierigen Auge der Forscher verschließt: die schnellen Abläufe bei chemischen Reaktionen. Wenn A und B miteinander reagieren, treten nämlich vor allem die Elektronen in Aktion. Stößt man die Vorgänge mit einem weiteren Laserpuls unmittelbar vor dem Messblitz an, könnte Bild für Bild ein dreidimensionaler Film des Geschehens mit ungeahnter räumlicher Auflösung entstehen. "Zu klein und zu schnell" wären Probleme von gestern.
Bevor diese Zukunftsszenarien Realität werden können, muss sich die neue Methode aber noch an weiteren Prüfsteinen bewähren. Der nächste Schritt wird die Vermessung komplizierterer Moleküle sein. Es bleibt abzuwarten, ob die Laserblitze ein paar Hundert Atome noch genauso souverän ablichten können, wie es ihnen mit den beiden Atomen des Stickstoffmoleküls gelungen ist.
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