Elektronen: gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten

  • 30. June 2014

Laut Quantenmechanik sind K-Schalen-Elektronen in ihrem Ort nicht eindeutig bestimmbar, experimenteller Nachweis jetzt gelungen.

„Vermutet hat man dieses für den Laien schwer verständliche Verhalten schon lange, aber hier ist es zum ersten Mal gelungen, dies experimentell nachzuweisen“, erläutert Arno Ehresmann von der Universität Kassel. „In umfangreichen Versuchen haben wir an Elektronen von Sauerstoff-Molekülen die zum Beweis dieser Aussage charakteristischen Oszillationen nachgewiesen.“ An der Studie beteiligt waren neben Ehresmann und Knie Wissenschaftler der Universitäten Triest, Berlin (FU) und Riad sowie des Fritz-Haber-Instituts und des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY.

 Schematischer Aufbau des Experiments und Anisotropie-Parameter β der Elektronen-Winkelverteilung. (Bild: Ilchen et al. / APS)

Abb.: Schematischer Aufbau des Experiments und Anisotropie-Parameter β der Elektronen-Winkelverteilung. (Bild: Ilchen et al. / APS)

Aufbauend auf dem Photoeffekt lässt sich das Verhalten von Elektronen eingehend untersuchen. In einem zweiatomigen Molekül, das aus zwei gleichen Atomen zusammengesetzt ist, gibt es Elektronen, die sehr eng an das jeweilige Atom gebunden sind. Nach der Quantenmechanik sind diese Elektronen nicht zu unterscheiden. Für ein Photon mit einer Energie, die größer ist als die Bindungsenergie dieser Elektronen, stellt sich nun die Frage: An welches dieser beiden das Photon nicht zu unterscheidenden Elektronen gebe ich meine Energie ab?

Die Antwort der Quantenmechanik lautet: Das Photon gibt seine Energie zwar an ein einziges Elektron ab, aber dieses befindet sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit gleichzeitig nahe bei Atom 1 und nahe bei Atom 2, das Gleiche gilt für das andere Elektron. Wird nun ein einziges Elektron vom Atom entfernt, so laufen die zugehörigen Wellen sowohl von Atom 1 aus, als auch von Atom 2, da sich dieses Elektron ja gleichzeitig da und dort befindet. Seit langem wurde daher schon vorhergesagt, diese beiden Wellen müssten sich überlagern und damit interferieren. Experimentell war der Nachweis dieser Interferenzmuster bis dato noch nicht gelungen.

Genau dies glückte jedoch nun der Forschungsgruppe, an der die Kasseler Physiker Ehresmann und Knie beteiligt waren – ein eindeutiger Beleg, dass sich ein Elektron gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten aufhält. Die Experimente wurden an den Synchrotronstrahlungsanlagen DORIS-III in Hamburg sowie BESSY-II in Berlin durchgeführt. Dabei traf monochromatische Synchrotronstrahlung auf gasförmige Moleküle. Die Strahlung hat diese ionisiert, Elektronenspektrometer haben die Teilchen winkel- und energieaufgelöst detektiert.

U. Kassel / OD

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