He3 – linear oder dreieckig?

  • 11. December 2014

Helium-Atome ordnen sich als Molekül „wie in einer Wolke“.

Physiker der Frankfurter Goethe-Universität haben dazu beigetragen, eine Streitfrage der theoretischen Physik zu entscheiden: Zwar ist in der Wissenschaft längst bekannt, dass Helium entgegen der alten Lehrmeinung Moleküle aus zwei, drei oder sogar mehr Helium-Atomen bildet. Wie das aus drei Atomen bestehende He3 allerding genau aussieht, war unter Theoretikern rund zwanzig Jahre umstritten. Neben der intuitiven Annahme, dass die drei identischen Bestandteile ein gleichseitiges Dreieck bilden, existierte auch die Hypothese, dass die drei Atome linear, also in einer Reihe angeordnet sind. Wie die Wissenschaftler um Reinhard Dörner und Jörg Voigtsberger mit dem in Frankfurt entwickelten „Cold Target Recoil Ion Momentum Spec­troscopy“-Reaktions­mikroskop (COLTRIMS) herausfanden, liegt die Wahrheit dazwischen.

Die gemessenen Verteilungen des Innenwinkels des homonuklearen 4He3 und des heteronuklearen 3He-4He2 im Verglecih mit verschiedenen theoretischen Berechnungen

Abb.: Die gemessenen Verteilungen des Innenwinkels des homonuklearen 4He3 (a) und des heteronuklearen 3He-4He2 (b), jeweils im Vergleich mit verschiedenen theoretischen Berechnungen. Während ein gleichseitiges Dreieck hier eine schmales Maximum bei 60 Grad hätte und ein lineares Molekül zwei Maxima bei 0 und 180 Grad, zeigt sich bei den Trimeren eine extrem breite Verteilung. Diese belegt, dass bei diesen Systemen alle möglichen Konfigu­rationen vorhanden sind. (Bild: J. Voigtsberger et al. / NPG)

„Die Natur zieht sich hier ziemlich elegant aus der Affäre: Wir haben Helium unter unserem Reaktions­mikroskop angeschaut, und dabei zeigte sich, dass He3 wie eine Wolke ist“, sagt Voigtsberger, aus dessen Dissertation die Resultate der Veröffentlichung stammen. „Egal ob linear oder dreieckig oder eine andere Konfigu­ration: Alle sind gleich wahrscheinlich, wie das für die Quanten­mechanik typisch ist.“ Die Ergebnisse von Voigtsberger und seinen Kollegen machen außerdem Schluss mit einer aus der Schulzeit übernommenen Vorstellung: Das He3-Molekül besteht nicht aus eine festen Struktur, so wie etwa das Wasserstoff­molekül H2 und das Kohlendioxid-Molekül CO2, bei denen die einzelnen Atome quasi direkt aneinander stoßen. Im Gegensatz dazu ist He3 wie eine Wolke – der Abstand zwischen den Atomen ist ungefähr zehnmal so groß wie der Atom-Radius.

Wie Voigtsberger und Dörner berichten, verhält sich eine Variante der Moleküls He3 ungewöhnlich: Normale Helium-Atome bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Wenn man eines der drei Helium-Atome durch das leichtere Isotop ersetzt, das nur aus zwei Protonen und einem Neutron besteht, dann ist das Molekül im Quanten­halo-Zustand: Das leichtere Isotop ist weiter von den beiden anderen Atomen entfernt, als es nach der klassischen Physik dürfte. „Das kann man sich vorstellen wie Tisch­tennis­bälle in einer Suppenschüssel“, erläutert Dörner. „Das leichtere Helium-Isotop befindet sich gewissermaßen außerhalb der Schüssel, aber durch den quanten­mechanischen Tunnel­effekt ‚merkt‘ es immer noch etwas von den Atomen in der Schüssel und kann nicht einfach wegfliegen.“

Schematischer Aufbau des Frankfurter COLTRIMS-Experiments (Bild: AG Dörner)

Abb.: Schematischer Aufbau des Frankfurter COLTRIMS-Experiments (Bild: AG Dörner)

Das Reaktionsmikroskop , mit dessen Hilfe die Experimente an den Helium-Molekülen gemacht wurden, hat seine Vielsei­tigkeit schon mehrfach bewiesen: So konnten Mitglieder der Arbeits­gruppe Dörner im Jahr 2013 schon einmal einen Disput der theore­tischen Physik entscheiden. Die Experimente bewiesen damals, dass vor rund achtzig Jahren der Standpunkt des dänischen Physikers Niels Bohr in der „Einstein-Bohr-Debatte“ korrekt gewesen war, und kurz zuvor hatten es weitere Physiker aus der AG Atom­physik dazu verwendet, die Zerstörung eines Moleküls durch einen starken Laserpuls zu „filmen“ – diese Reaktion läuft so schnell ab, dass sie keine normale Kamera erfassen kann.

GU / OD

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