Atomphysik: Und sie drehen sich doch!
Seit langem suchen Physiker nach dem Grenzbereich, wo die althergebrachte Physik endet, die Quantenmechanik anfängt oder beide Beschreibungen irgendwie richtig sind. Atome sind das geeignete Forschungsfeld, meinten drei amerikanische Experimentatoren, und scheinen Recht zu haben. Sie zwangen nun Elektronen für kurze Zeit, wie in einem klassischen Karussell um den Atomkern herumzusausen.
Niels Bohr konnte sich nicht lange auf seinen Ruhm ausruhen, als er im Jahr 1913 sein berühmtes Atommodell formulierte. Nach den Vorstellungen des dänischen Physiknobelpreisträgers und Mitbegründers der Quantenmechanik entsprachen die negativ geladenen Elektronen winzig kleinen Kügelchen, die jeweils fein säuberlich auf mehr oder weniger elliptischen Bahnen um den positiv geladenen Nukleus kreisen – ähnlich wie Planeten um die Sonne.
Nur gut 15 Jahre später zeigte jedoch Werner Heisenberg, dass diese Vorstellung zu einfach ist: Wegen der von ihm entdeckten Unschärferelation lassen sich Ort und Impuls quantenmechanischer Objekte niemals gleichzeitig exakt bestimmen. Und Elektronen gehören zweifelsfrei zu dieser Klasse.
Seit dieser Zeit sprechen Atomphysiker vielmehr von so genannten Orbitalen. Das sind mehr oder minder wolkenähnliche, abstrakte Raumgebiete, in denen sich die Elektronen jeweils mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in der Nähe des Atomkerns aufhalten. Befindet sich das Elektron jedoch sehr weit vom Atomkern entfernt, wird es laut Erwin Schrödinger quantenmechanisch als ein mehr oder weniger kompaktes Wellenpaket beschrieben – einer Überlagerung verschiedener Zustände, in denen sich das jeweilige Elektron befinden kann.
Nun haben Haruka Maeda, Thomas Gallagher und Donald Norum von der Universität von Virginia in Charlottesville der wenig anschaulichen Quantenmechanik ein Schnippchen geschlagen. Mit ihren Experimenten begaben sie sich in den Grenzbereich zwischen quantenmechanischer Beschreibung und klassischer Physik. Obwohl gerade das Verständnis der Vorgänge in einem Atom zur Entwicklung der Quantenmechanik führte, brachten sie Elektronen von hoch angeregten Lithium-Atomen dazu, sich – wie von Bohr vorhergesagt – auf nahezu klassischen Bahnen um den Kern des Atoms zu bewegen.
Die drei Elektronen des Lithium-Atoms befinden sich normalerweise sehr nahe an dessen Zentrum. Die Physiker regten die negativen Ladungsträger jedoch mit einem gepulsten Laser auf sehr hohe Energieniveaus an. Meade und seine Kollegen erreichten dadurch Anregungszustände mit Hauptquantenzahlen von 80 und darüber. Derart hoch angeregte Atome bezeichnen die Wissenschaftler nach einem bekannten schwedischen Atomphysiker als Rydberg-Atome. Es fehlte nicht viel, und die Elektronen hätten sich ganz von den Atomkernen gelöst und Ionenrümpfe hinterlassen. Die Forscher errechneten schließlich die klassische Umlauffrequenz, die Anzahl an Umläufen der Elektronen um den Atomkern also, die sie pro Sekunde nach der Vorstellung von Niels Bohr bewältigen müssten. Sie kamen auf einige Gigahertz.
Normalerweise fallen derart hoch angeregte Atome innerhalb weniger Nanosekunden wieder in ihren Grundzustand zurück. Um dies zu verhindern, bestrahlten Maeda und seine Kollegen die Lithium-Atome zusätzlich mit Mikrowellen einer Frequenz, die der berechneten Umlauffrequenz entsprach. Die Mikrowellen gaben den Elektronen nun immer wieder einen Schubs und brachten sie dazu, jetzt innerhalb von einem Bruchteil einer Mikrosekunde einige tausend Kreise um den Nukleus zu drehen – Zeit genug für die Forscher, um diesen Reigen genau unter die Lupe zu nehmen.
Haruka Maeda, Thomas Gallagher und Donald Norum setzten dem Ganzen die Krone auf, als sie die Frequenz der Mikrowellen von 13 auf 19 Milliarden Hertz (13 bis 19 Gigahertz) steigerten sowie genau andersherum, die Frequenz langsam von 19 auf 13 Gigahertz reduzierten. Dadurch konnten die Experimentatoren den Atomdurchmesser – der im Wesentlichen durch die am weitesten außen liegenden Elektronen bestimmt ist – nach Belieben aufpumpen und wieder zusammenfallen lassen. Das hatte außerdem Auswirkungen auf die (noch verbleibende) Bindungsenergie der Elektronen, was die Forscher schließlich im Labor nachwiesen.
Nur gut 15 Jahre später zeigte jedoch Werner Heisenberg, dass diese Vorstellung zu einfach ist: Wegen der von ihm entdeckten Unschärferelation lassen sich Ort und Impuls quantenmechanischer Objekte niemals gleichzeitig exakt bestimmen. Und Elektronen gehören zweifelsfrei zu dieser Klasse.
Seit dieser Zeit sprechen Atomphysiker vielmehr von so genannten Orbitalen. Das sind mehr oder minder wolkenähnliche, abstrakte Raumgebiete, in denen sich die Elektronen jeweils mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in der Nähe des Atomkerns aufhalten. Befindet sich das Elektron jedoch sehr weit vom Atomkern entfernt, wird es laut Erwin Schrödinger quantenmechanisch als ein mehr oder weniger kompaktes Wellenpaket beschrieben – einer Überlagerung verschiedener Zustände, in denen sich das jeweilige Elektron befinden kann.
Nun haben Haruka Maeda, Thomas Gallagher und Donald Norum von der Universität von Virginia in Charlottesville der wenig anschaulichen Quantenmechanik ein Schnippchen geschlagen. Mit ihren Experimenten begaben sie sich in den Grenzbereich zwischen quantenmechanischer Beschreibung und klassischer Physik. Obwohl gerade das Verständnis der Vorgänge in einem Atom zur Entwicklung der Quantenmechanik führte, brachten sie Elektronen von hoch angeregten Lithium-Atomen dazu, sich – wie von Bohr vorhergesagt – auf nahezu klassischen Bahnen um den Kern des Atoms zu bewegen.
Die drei Elektronen des Lithium-Atoms befinden sich normalerweise sehr nahe an dessen Zentrum. Die Physiker regten die negativen Ladungsträger jedoch mit einem gepulsten Laser auf sehr hohe Energieniveaus an. Meade und seine Kollegen erreichten dadurch Anregungszustände mit Hauptquantenzahlen von 80 und darüber. Derart hoch angeregte Atome bezeichnen die Wissenschaftler nach einem bekannten schwedischen Atomphysiker als Rydberg-Atome. Es fehlte nicht viel, und die Elektronen hätten sich ganz von den Atomkernen gelöst und Ionenrümpfe hinterlassen. Die Forscher errechneten schließlich die klassische Umlauffrequenz, die Anzahl an Umläufen der Elektronen um den Atomkern also, die sie pro Sekunde nach der Vorstellung von Niels Bohr bewältigen müssten. Sie kamen auf einige Gigahertz.
Normalerweise fallen derart hoch angeregte Atome innerhalb weniger Nanosekunden wieder in ihren Grundzustand zurück. Um dies zu verhindern, bestrahlten Maeda und seine Kollegen die Lithium-Atome zusätzlich mit Mikrowellen einer Frequenz, die der berechneten Umlauffrequenz entsprach. Die Mikrowellen gaben den Elektronen nun immer wieder einen Schubs und brachten sie dazu, jetzt innerhalb von einem Bruchteil einer Mikrosekunde einige tausend Kreise um den Nukleus zu drehen – Zeit genug für die Forscher, um diesen Reigen genau unter die Lupe zu nehmen.
Haruka Maeda, Thomas Gallagher und Donald Norum setzten dem Ganzen die Krone auf, als sie die Frequenz der Mikrowellen von 13 auf 19 Milliarden Hertz (13 bis 19 Gigahertz) steigerten sowie genau andersherum, die Frequenz langsam von 19 auf 13 Gigahertz reduzierten. Dadurch konnten die Experimentatoren den Atomdurchmesser – der im Wesentlichen durch die am weitesten außen liegenden Elektronen bestimmt ist – nach Belieben aufpumpen und wieder zusammenfallen lassen. Das hatte außerdem Auswirkungen auf die (noch verbleibende) Bindungsenergie der Elektronen, was die Forscher schließlich im Labor nachwiesen.
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