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10.10.2018
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„Quantenkocher“ enthüllt Relativitätseffekte in Atomen

Röntgenexperimente zeigen Auswirkungen auf die Atomstruktur

In einer Art „Quantenkocher“ haben Wissenschaftler Xenonatome mit intensiven Röntgenblitzen von den meisten ihrer Elektronen getrennt. Die Experimente zeigen die Bedeutung von Albert Einsteins Spezieller Relativitätstheorie für die Quantenstruktur von Atomen. Das internationale Team um Sang-Kil Son und Robin Santra vom Center for Free-Electron Laser Science bei DESY sowie Daniel Rolles und Artem Rudenko von der Kansas State University hat seine Studie im Fachblatt „Nature Communications“ veröffentlicht.

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Beim Quantenkochen verdampfen Elektronen ähnlich wie Wassermoleküle beim gewöhnlichen Kochen. Illustration: Sherin Santra
„Das Verständnis der atomaren Struktur ist von grundlegender Bedeutung“, betont Son. „Die Quantenmechanik sagt uns, wo sich Elektronen in den Hüllen der verschiedenen Atome aufhalten.“ Die Struktur der Atomhülle wiederum ist die Grundlage für das Periodensystem und bestimmt die chemischen Eigenschaften der Elemente. „Elektronen in der äußeren Atomhülle bewegen sich typischerweise bereits mit etwa einem Prozent der Lichtgeschwindigkeit“, ergänzt Santra. „Die Elektronen auf den inneren Schalen bewegen sich jedoch erheblich schneller, vor allem in schwereren Atomen. Dann muss die Quantenmechanik durch die Spezielle Relativitätstheorie ergänzt werden, um die Atomstruktur genau zu beschreiben.“

Energiereiches Röntgenlicht kann Elektronen aus Atomen ähnlich „verdunsten“ lassen wie Wasser beim Kochen: Die Röntgenstrahlen schlagen nur eine kleine Anzahl von Elektronen direkt aus der Atomhülle heraus, und zwar aus den inneren Schalen. Die Löcher, die diese Elektronen hinterlassen, „blubbern“ dann schnell zu den äußeren Schalen hinauf, wobei Energie auf weitere Elektronen übertragen wird und diese schließlich ebenfalls aus dem Atom herausgeschleudert werden. „Beim Kochen von Wasser spielen die Kollisionen zwischen Molekülen eine zentrale Rolle, und in Analogie dazu spielen die Kollisionen von Elektronen die zentrale Rolle beim Quantenkochen von Atomen“, erklärt Son.

Dieses Quantenkochen wird allerdings erst durch moderne Teilchenbeschleuniger-basierte Anlagen namens Freie-Elektronen-Laser ermöglicht, die die stärksten Röntgenblitze der Welt liefern. Sie erzeugen Bedingungen, die einer Temperatur von einigen hundert Millionen Grad Celsius entsprechen – höher als die Temperatur im Zentrum der Sonne. Das Quantenkochen entblößt dann die inneren Schalen des Atoms und macht dabei relativistische Effekte auf neue Art sichtbar.

Im Experiment beschossen die Forscher Xenonatome mit den intensiven Röntgenpulsen des Freie-Elektronen-Lasers LCLS am US-Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien. Dadurch entstanden Xenon-Ionen mit hoher elektrischer Ladung, abhängig von der Anzahl der herausgeschlagenen Elektronen. In der Bilanz, wie viele Atome jeweils eine bestimmte Zahl von Elektronen verloren hatten, beobachteten die Wissenschaftler drei markante Häufungen bei bestimmten Ladungen. Mit Quantenmechanik und Spezieller Relativitätstheorie zusammen ließ sich diese experimentelle Beobachtung erklären und dabei auch der genaue Mechanismus klären, wie die Elektronen aus dem Atom entkommen.

„Wir konnten zeigen, dass die Häufungen einer relativistischen Aufspaltung der zweiten Elektronenschale in bestimmte Energieniveaus entsprechen“, erläutert Santra. Diese relativistische Aufspaltung der Energieniveaus ist ein bekannter Effekt in der Atomphysik und wird dort Feinstruktur genannt. Während die Energieunterschiede in der Feinstruktur des leichtesten Elements Wasserstoff etwa 50 Mikroelektronenvolt (50 Millionstel eines Elektronenvolts) betragen, ist die beobachtete Energiedifferenz im Xenon jedoch fast zehn Millionen Mal so groß und beträgt 300 Elektronenvolt.

Die Vorhersage des dynamischen Verhaltens der atomaren Ladungszustände beim Quantenkochen stellte eine enorme Herausforderung dar und benötigte selbst auf Hochleistungsrechnern mehrere Monate. Sie führte aber letztlich zum Erfolg: Die Berechnungen lieferten nicht nur eine erfolgreiche Beschreibung des Quantenkochens und der damit verbundenen Effekte der Relativitätstheorie, sie zeigen auch die Leistungsfähigkeit der neu entwickelten Rechenwerkzeuge für Prognosen zu künftigen ähnlichen Experimenten mit Freie-Elektronen-Röntgenlasern.

 

Originalarbeit:
Relativistic and resonant effects in the ionization of heavy atoms by ultra-intense hard X-rays; Benedikt Rudek, Koudai Toyota, et al.; „Nature Communications“, 2018; DOI: 10.1038/s41467-018-06745-6