Forschung

Molekulare Verstärkung

22.07.2021 - Isotopieverschiebung bei einigen Molekülen mit sehr schweren Atomkernen besonders stark.

Die Energie von Elektronen ändert sich messbar, wenn der Atomkern eines Moleküls vergrößert oder verkleinert wird. Dieser winzige Effekt hat eine internationale Forschungsgruppe am europäischen Kern­forschungs­zentrum CERN in Genf nun in experimentellen Beobachtungen an kurzlebigen Radium­monofluoridmolekülen (RaF) nachgewiesen. Denn will man mehr über den Atomkern und die Elementar­teilchen herausfinden, aus denen er besteht, so bieten Messungen an Molekülen ein ideales Szenario: „Wir machen uns zunutze, dass manche physikalischen Effekte in Molekülen um ein Vielfaches verstärkt sein können“, erklärt der Marburger Chemie­theoretiker Robert Berger, einer der Leitautoren der Studie. „Der Verstärker­effekt macht sich besonders bei Molekülen bemerkbar, die sehr schwere, radioaktive Bestandteile enthalten.“

 

Wenn sich die Zahl der Neutronen im Atomkern verändert – also bei Isotopen –, kommt es zu kleinen Energiedifferenzen der Elektronen in der Atomhülle, einer Isotopie­verschiebung. „Bislang war wenig über Isotopie­verschiebungen in Molekülen bekannt“, sagt Berger. „Experimentell erworbene Kenntnisse über kurzlebige radioaktive Moleküle sind rar, so dass quanten­chemische Berechnungen oft die einzige Informations­quelle bilden“, führt der Chemietheoretiker aus. „Wenn es aber gelingt, sehr genau hinzuschauen, kann man messen, wie sich unterschiedlich große Isotopen­kerne auf die Wechselwirkungen mit den Elektronen in Molekülen auswirken.“

Moleküle mit kurzlebigen radioaktiven Atomen kommen in der Natur nicht vor; sie müssen daher künstlich in spezialisierten Einrichtungen wie dem Isotopen­trenner Isolde am europäischen Kern­forschungs­zentrum CERN in Genf hergestellt werden.

Berger und eine vielköpfige Forschungsgruppe aus aller Welt berichten nun erstmals, wie sich die Energieniveaus in einem Radium­fluoridmolekül verschieben, wenn sich die Neutronenzahl im Radiumkern ändert. Hierzu baute das Team am CERN ausgeklügelte Versuche auf, um schrittweise Radium­monofluorid herzustellen und dessen Eigenschaften mittels Laser spektroskopisch zu studieren. „Aufgrund der speziellen elektronischen Situation in RaF kürzen sich die üblichen, eher langweiligen Massen­effekte quasi heraus“, legt Berger dar. Daher könne man den viel kleineren Effekt messen, den die Änderung des Kernvolumens hervorruft.

„Die Ergebnisse dieser Experimente stimmen hervorragend mit unseren theoretischen Berechnungen überein“, berichtet Konstantin Gaul aus der Bergers Arbeitsgruppe. Insbesondere zeigt die gemessene Isotopie­verschiebung in Radium­monofluorid, dass das Molekül sehr empfindlich auf Änderungen der Kerngröße reagiert. „Kurzlebige Moleküle wie radioaktives Radium­monofluorid bieten demnach eine hervorragende Möglichkeit, um die Kernstruktur zu studieren“, hebt Gaul hervor. „Hier lernt man mit Hilfe der Molekül­spektroskopie etwas über Kernphysik.“

„Wir haben bereits früher theoretisch gezeigt, dass RaF sensitiv für symmetrieverletzende Kerneigenschaften wie zum Beispiel das Anapol­moment ist,“ fügt Berger hinzu. „Mit weiter verfeinerten Experimenten kann man auf die Messung dieser faszinierenden Kerneigenschaften zielen.“

Robert Berger leitet eine Arbeitsgruppe für theoretische Chemie an der Philipps-Universität Marburg. An der Studie beteiligten sich zahlreiche weitere Arbeitsgruppen aus der Bundes­republik, Belgien, China, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Russland, der Schweiz und den USA; die Federführung lag bei Berger sowie bei den amerikanischen Physikern Ronald Fernando Garcia Ruiz und dessen Mitarbeiter Silviu-Marian Udrescu vom Massachusetts Institute of Technology.

U. Marburg / DE

 

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