News: Niveauspalterei
Antiteilchen bieten Wissenschaftlern ganz neue Möglichkeiten, ihre Theorien vom Atomaufbau zu studieren. So sorgt ein Antiproton, das in der Hülle eines Heliumatoms ein Elektron ersetzt, für ganze neue strahlende Eigenschaften.
Gegensätze ziehen sich an, das gilt insbesondere auch für elektrische Ladungen. Und allein die Quantenmechanik verhindert, das all die negativ geladenen Elektronen der Hülle eines Atoms in den positiv geladenen Kern fallen – denn nur eine bestimmte Teilchenzahl darf gemäß des Pauli-Prinzip an gleichem Ort verweilen. Den Elektronen bleibt so nichts anderes übrig, als in einer Wolke um den Atomkern herum ihre Bahnen zu ziehen.
Aber auch hier legt die Quantenmechanik den Teilchen Regeln auf. So dürfen auch auf diesen Bahnen nicht beliebig viele Elektronen kreisen, sondern sie müssen sich auf bestimmte Energieniveaus verteilen. Diese Energieniveaus sind für jedes Atom charakteristisch und sorgen für sein typisches Emissions- beziehungsweise Absorptionsspektrum – sozusagen seinen Fingerabdruck.
Nun haben Eberhard Widmann von der University of Tokyo und seine Kollegen am Antiproton Decelerator am CERN in Genf den Fingerabdruck eines ganz besonderen Atoms abgenommen: den des antiprotonischen Heliums. Dabei handelt es sich um ein Heliumatom, das eines seiner beiden Elektronen zugunsten eines Antiprotons abgeben musste. Das Kunststück gelang den Forschern, indem sie einen Strahl aus Antiprotonen in eine Wolke aus Helium schickten.
An diesem antiprotonischen Helium untersuchten die Forscher nun die möglichen strahlenden Übergänge zwischen den Energieniveaus. Und von denen gibt es eine ganze Menge. So liefert die Quantenmechanik durch ihre Aufenthaltsbeschränkung für Elektronen zunächst einmal eine Art Grundgerüst an Energieniveaus, das aber durch eine Eigenschaft des Elektrons – den Spin – noch einmal verfeinert wird. Der Spin – anschaulich so etwas wie die Eigendrehung des Teilchens – und die Bahnbewegung des Elektrons beeinflussen sich nämlich so, dass sich die Energieniveaus zur so genannten Feinstruktur aufspalten.
Aber auch mit der Feinstruktur sind die Möglichkeiten der Natur noch lange nicht erschöpft. So sorgt die Wechselwirkung der Elektronen mit den magnetischen Kernmomente für eine weitere noch feinere Aufspaltung in die Hyperfeinstruktur. Diese Aufspaltung ist jedoch so klein, das es schon sehr ausgefeilter spektroskopischer Methoden bedarf, um sie sichtbar zu machen.
Und auch hier ist offenbar noch nicht das Ende der Fahnenstange erreicht. So sagten Dimitar Bakalov von der Bulgarian Academy of Sciences und Vladimir Korobov vom Joint Institute for Nuclear Research in Dubna vor einigen Jahren voraus, dass bei jenen Atomen mit Antiprotonen in der Hülle auch die Hyperfeinstruktur noch in je zwei Unterniveaus aufspalten müsse. Bislang stand jedoch der experimentelle Nachweis dieser, mit einem weiteren Superlativ geschmückten Superhyperfeinstruktur aus.
Indem nun Widmann und Co die beiden Hyperfein-Niveaus in geschickter Art und Weise mit Laserpulsen anregten, Mikrowellen auf das Atom strahlten und anschließend die Bevölkerung der Energieniveaus mit Laserlicht maßen, konnten sie nun tatsächlich jene Superhyperfeinstruktur des antiprotonischen Heliums nachweisen. Die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung war dabei genau so gewählt, dass sie dem gesuchten, theoretisch vorhergesagten Übergang entsprach. Damit darf dann wohl auch die Theorie von Bakalov und Korobov als experimentell nachgewiesen gelten.
Aber auch hier legt die Quantenmechanik den Teilchen Regeln auf. So dürfen auch auf diesen Bahnen nicht beliebig viele Elektronen kreisen, sondern sie müssen sich auf bestimmte Energieniveaus verteilen. Diese Energieniveaus sind für jedes Atom charakteristisch und sorgen für sein typisches Emissions- beziehungsweise Absorptionsspektrum – sozusagen seinen Fingerabdruck.
Nun haben Eberhard Widmann von der University of Tokyo und seine Kollegen am Antiproton Decelerator am CERN in Genf den Fingerabdruck eines ganz besonderen Atoms abgenommen: den des antiprotonischen Heliums. Dabei handelt es sich um ein Heliumatom, das eines seiner beiden Elektronen zugunsten eines Antiprotons abgeben musste. Das Kunststück gelang den Forschern, indem sie einen Strahl aus Antiprotonen in eine Wolke aus Helium schickten.
An diesem antiprotonischen Helium untersuchten die Forscher nun die möglichen strahlenden Übergänge zwischen den Energieniveaus. Und von denen gibt es eine ganze Menge. So liefert die Quantenmechanik durch ihre Aufenthaltsbeschränkung für Elektronen zunächst einmal eine Art Grundgerüst an Energieniveaus, das aber durch eine Eigenschaft des Elektrons – den Spin – noch einmal verfeinert wird. Der Spin – anschaulich so etwas wie die Eigendrehung des Teilchens – und die Bahnbewegung des Elektrons beeinflussen sich nämlich so, dass sich die Energieniveaus zur so genannten Feinstruktur aufspalten.
Aber auch mit der Feinstruktur sind die Möglichkeiten der Natur noch lange nicht erschöpft. So sorgt die Wechselwirkung der Elektronen mit den magnetischen Kernmomente für eine weitere noch feinere Aufspaltung in die Hyperfeinstruktur. Diese Aufspaltung ist jedoch so klein, das es schon sehr ausgefeilter spektroskopischer Methoden bedarf, um sie sichtbar zu machen.
Und auch hier ist offenbar noch nicht das Ende der Fahnenstange erreicht. So sagten Dimitar Bakalov von der Bulgarian Academy of Sciences und Vladimir Korobov vom Joint Institute for Nuclear Research in Dubna vor einigen Jahren voraus, dass bei jenen Atomen mit Antiprotonen in der Hülle auch die Hyperfeinstruktur noch in je zwei Unterniveaus aufspalten müsse. Bislang stand jedoch der experimentelle Nachweis dieser, mit einem weiteren Superlativ geschmückten Superhyperfeinstruktur aus.
Indem nun Widmann und Co die beiden Hyperfein-Niveaus in geschickter Art und Weise mit Laserpulsen anregten, Mikrowellen auf das Atom strahlten und anschließend die Bevölkerung der Energieniveaus mit Laserlicht maßen, konnten sie nun tatsächlich jene Superhyperfeinstruktur des antiprotonischen Heliums nachweisen. Die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung war dabei genau so gewählt, dass sie dem gesuchten, theoretisch vorhergesagten Übergang entsprach. Damit darf dann wohl auch die Theorie von Bakalov und Korobov als experimentell nachgewiesen gelten.
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.