Wie in einer Wolke: Wo platzieren sich die Helium-Atome im Molekül?

Reaktionsmikroskop COLTRIMS liefert neue Erkenntnisse über das Aussehen des Heliummoleküls He3

11.12.2014 - Deutschland

Wieder einmal haben Frankfurter Physiker 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 allerdings genau aussieht, war unter Theoretikern rund 20 Jahre lang 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 Prof. Dr. Reinhard Dörner und seinen Doktoranden Jörg Voigtsberger in der Fachzeitschrift „nature communications“ berichten, konnten sie mit dem in Frankfurt entwickelten Reaktionsmikroskop COLTRIMS zeigen, dass die Wahrheit dazwischen liegt.

„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.

Schließlich berichten Voigtsberger und Dörner, dass sich eine Variante der Moleküls He3 ungewöhnlich verhält: 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 sogenannten 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. „Normale Atome sammeln sich am Boden der Schüssel, in einen Minimum des Potenzials. Wenn sie den Potenzialberg, also die Wand der Schüssel überwunden haben, sind sie völlig vom Molekül getrennt. Das leichtere Helium-Isotop befindet sich also 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.“

Das Reaktionsmikroskop COLTRIMS, 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. COLTRIMS-Experimente bewiesen damals, dass vor rund 80 Jahren der Standpunkt des dänischen Physikers Niels Bohr in der „Einstein-Bohr-Debatte“ korrekt gewesen war, und kurz zuvor hatten weitere Physiker aus der AG Atomphysik COLTRIMS dazu verwendet, die Zerstörung eines Moleküls durch einen starken Laserpuls zu „filmen“ – diese Reaktion läuft so schnell ab, dass sie von keiner normalen Kamera erfasst werden kann.