Richtungsweisende Molekülachse unter Elektronenbeschuss

  • 25. September 2012

Erstmals starke Abhängigkeit der Elektronenstoßionisation von Wasserstoffmolekülen von deren räumlicher Ausrichtung beobachtet.

Auf welche Weise Atome und Moleküle im Stoß mit Elektronen ionisiert werden hat wichtige Konsequenzen für das Verhalten von vielen physikalischen Systemen, von Gasentladungen in Lampen und Lasern bis zu astrophysikalischen Plasmen. Im Experiment kann man auf den genauen Ablauf von Stößen zwischen Elektronen und Molekülen durch die Messung der Impulse aller beteiligten Teilchen vor und nach dem Stoß schließen. Doch welchen Einfluss hat hier die räumliche Ausrichtung eines Gasmoleküls? Dies wurde bisher unter Physikern sogar beim molekularen Wasserstoff H2, dem einfachsten aller Moleküle, kontrovers diskutiert. Die experimentelle Bestimmung der zufällig orientierten Achse eines Gasmoleküls ist jedoch schwierig.

Winkelverteilung langsamer Elektronen aus Elektronenstoßionisation des Wasserstoffmoleküls: experimentelle Datenpunkte (rot), Theorie (schwarz). Die Emssion erfolgt vorzugsweise entlang der Molekülachse

Abb.: Winkelverteilung langsamer Elektronen aus Elektronenstoßionisation des Wasserstoffmoleküls: experimentelle Datenpunkte (rot), Theorie (schwarz). Die Emssion erfolgt vorzugsweise entlang der Molekülachse. (blau; Bild: MPIK)

Vor kurzem gelang dies Heidelberger Physikern bei der Ionisation von Wasserstoffmolekülen, indem sie molekulare Bruchstücke nachwiesen und aus deren Flugrichtung auf die räumliche Ausrichtung des anfänglich intakten Moleküls schlossen. Es zeigte sich jedoch, dass die Molekülachse bei den meisten Stößen keine große Rolle spielt. Dies liegt daran, dass sich die Elektronenhülle im Wasserstoffmolekül über einen, verglichen mit dem Kernabstand, sehr großen Raumbereich ausdehnt und fast kugelförmig ist.

In den jüngsten Experimenten gelang es den Forschern jedoch große Streuwinkel des Projektils zu beobachten, bei denen der Stoß mit dem molekularen Elektron sehr nahe an einem Atomkern stattfindet. Dabei werden die herausgeschlagenen Elektronen beim Verlassen des Moleküls durch die positiven Kerne stark abgelenkt und mit größerer Wahrscheinlichkeit entlang der Molekülachse emittiert. Dieser Effekt wird umso stärker, je langsamer das auslaufende Elektron ist. Mit dieser Messung konnte der Ursprung der Winkelverteilung der ionisierten Elektronen, die bisher nur an zufällig ausgerichteten Molekülen gemessenen wurde, erstmals aufgeklärt werden.

In Zukunft wird die hier entwickelte experimentelle Technik auch die Untersuchung größerer, auch biologisch relevanter Moleküle ermöglichen und damit zum Verständnis der Entstehung von Strahlenschäden in biologischem Gewebe beitragen.

MPIK / OD

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