Elektrizität von mikroskopischen Tröpfchen

News: Elektrizität von mikroskopischen Tröpfchen

Physiker haben entdeckt, woher die elektrischen Ladungen stammen, wenn makroskopisch kleine Kügelchen relativ langsam auf Oberflächen prallen. Dies war bislang rätselhaft, da die Moleküle viel zu wenig Energie besitzen, um eine Ionisierung des Oberflächenmaterials zu bewirken. Trotzdem zerplatzen 'Tröpfchen' aus einer Handvoll Molekülen beim Aufprall auf fast jede Festkörperoberfläche in negativ oder positiv geladene Fragmente. Dabei nehmen sie anscheinend während des Oberflächenkontakts neutrale Atome auf, die sofort in positive Atomrümpfe und Elektronen getrennt werden. Die Zersplitterung des Tröpfchens verhindert, daß die entgegengesetzten Ladungen sich wieder vereinen und neutralisieren.

Die Existenz der Ladungen beim Aufprall der winzigen Molekültröpfchen auf einen Festkörper warf bislang eine Fülle von Fragen auf: Woher kommt die Energie, die erforderlich ist, um ein festgebundenes Elektron von einem Molekül zu entfernen? Handelt es sich dabei um einen kollektiven Effekt, in dem sich viele Teilchen zusammentun, um gewissermaßen gemeinsam mit einer größeren Aufgabe fertigzuwerden. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München haben nun einen genaueren Blick auf die Zusammensetzung der geladenen Fragmente während der Kollision mit der Oberfläche geworfen. Ihre Ergebnisse erscheinen in Nature vom 5. August 1999 und erklären die verschiedenen Mechanismen hinter dem Phänomen.

Aufgrund von Massenanalysen geladener SO₂-Fragmenten, nehmen die Physiker an, daß der Schlüssel zum Verständnis der Ladungstrennung die Aufnahme eines neutralen Alkali-Atoms während des Oberflächenkontaktes ist. Dessen äußerstes Elektron wird sofort vom Atom losgelöst und bewegt sich von Molekül zu Molekül durch den Tropfen. Durch die Wucht des Aufpralls zerfällt die Kugel sehr schnell in Teilstücke, was zur Bildung separater geladener Fragmente führt.

"Es war ein äußerst aufregender Moment, als wir unsere Annahmen über die Rolle der Alkali-Atome im Ladungsprozeß dadurch überprüften, daß wir die Oberfläche mit zusätzlichen Cäsium-Atomen von einem Ofen behandelten", sagt Christoph R. Gebhardt, der die Experimente durchführte. "Die relevanten Spitzen in unserem Spektrum begannen zu steigen, und wir wußten, daß wir verstanden hatten, was vorgeht."

Auch ohne zusätzliche Alkali-Atome erhielten die Forscher ein Signal, denn Alkalimetalle sind überall zugegen, wenn auch in äußerst geringen Konzentrationen. Wegen der hohen Empfindlichkeit des Effekts scheint es möglich, neue Analysemethoden mit niedrigeren Nachweisgrenzen und effektive Verfahren zur Oberflächenreinigung zu entwickeln. Die Möglichkeit, die Effizienz der Ladungstrennung durch Zugabe weiterer Alkali-Atome zu erhöhen, macht das Phänomen für die Bildung schwerer Ionen in Verbindung mit Ionenantrieben interessant, sowie für Cluster- oder Aerosol-Analysen, Plasmen schwerer Anionen und die Erzeugung bestimmter Molekülcluster für Spektroskopie- und Lösbarkeits-Untersuchungen.

Der neue Mechanismus für die Erzeugung von Ladungsträgern könnte auch relevant für natürliche Prozesse sein, etwa in der Atmosphäre. Dort nimmt ein Hydrometeor – die wissenschaftliche Bezeichnung für verschiedene Formen atmosphärischen Wassers – ein oder mehrere Alkali-Atome bei einer Kollision mit zum Beispiel einem Aerosol auf und erhöht so die intrinsische Leitfähigkeit durch die Bildung von gelösten Kationen und Elektronen. Dies könnte die vielen möglichen Mechanismen für die Wolkenbildung einleiten, oder der Hydrometeor könnte direkt in geladenen Teile zerfallen wie im Garchinger Experiment.

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