Attraktive Lichteffekte
Die anziehende Dipolkraft spielt bei thermischem Licht eine Rolle und könnte bei der Planetenentstehung wichtig sein.
Mit Licht kann man Kräfte auf Atome ausüben und diese beispielsweise einfangen. Im Labor verwendet man dazu üblicherweise Laserstrahlen, da diese sehr klar strukturiert und gut fokussierbar sind. „Grundsätzlich wirken diese Kräfte aber auch bei der Verwendung von thermischen Lichtquellen wie zum Beispiel einer Glühbirne“, sagt Matthias Sonnleitner vom Institut für Theoretische Physik der Uni Innsbruck. In der Forschungsgruppe von Monika Ritsch-Marte von der Sektion für Biomedizinische Physik und Helmut Ritsch vom Institut für Theoretische Physik untersuchte er die Kräfte thermischer Lichtquellen auf Atome. „Wir zeigen, dass Atome dort hingezogen werden, wo ein Maximum thermischer Strahlung herrscht. Zu unserer großen Überraschung wurden diese Kräfte bisher noch nie detailliert behandelt, obwohl der verantwortliche Effekt grundsätzlich bekannt ist und auch bei Versuchen immer als großer Störfaktor miteinbezogen wurde", so Sonnleitner. Neben der anziehenden Dipolkraft thermischer Lichtquellen, existiert eine weitere Kraft – der Strahlungsdruck – der die Atome von der Lichtquelle wegbläst.
Abb.: Künstlerische Darstellung zur Wechselwirkung zwischen Atomen und einer heißen Kugel. (Bild: M. Sonnleitner et al. / APS)
Um die Wechselwirkung der Kräfte thermischen Lichts mit Atomen detailliert abzubilden, untersuchten die Wissenschaftler die Wirkung einer Kugel mit gegebener Temperatur auf ein Wasserstoffatom. „Für unsere Berechnungen wurde die Kugel als idealer Schwarzkörper angenommen, ein als Grundlage für theoretische Betrachtungen idealisierter Körper, der eine konstante Wärmestrahlung abgibt“, beschreibt der Physiker. Nach umfangreichen Berechnungen kam die Forschungsgruppe zu dem Ergebnis, dass Wasserstoff durch die Dipolkraft zur Strahlungsquelle hingezogen wird. „Der Strahlungsdruck, der die Atome wieder abstoßen würde, wird erst ab einer Temperatur von 5000 Kelvin relevant und ist im Temperaturbereich darunter vernachlässigbar“, erklärt Matthias Sonnleiter. „Unsere Berechnungen haben auch gezeigt, dass die attraktive – also anziehende – Dipolkraft bei anderen Atomen sehr viel stärker wäre, als bei Wasserstoff – wohl aber auch etwas komplizierter zu berechnen, da diese nicht so einfach aufgebaut sind wie Wasserstoffatome.“
Der Nachweis einer üblicherweise anziehenden Kraft zwischen Atomen oder Molekülen und Quellen thermischer Strahlung könnte vor allem für noch ungeklärte Fragen der Astrophysik von Bedeutung sein: „Im Weltall finden wir zwischen Atomen und Molekülen kleine Staubteilchen, die Wärme – wenn auch in sehr geringen Mengen – abstrahlen, und eine wesentliche Rolle bei der Entstehung von Sternen und Planten spielen“, beschreibt Sonnleitner. „Im Austausch mit den Kollegen vom Institut für Astrophysik bestätigten uns diese, dass es bei der Ansammlung der Atome und Moleküle an den Staubteilchen – der Beginn eines Sterns oder Planeten – noch einige ungeklärte Fragen gibt, für deren Beantwortung die Dipolkraft eine Rolle spielen könnte. Aus diesem Grund wollen wir die Zusammenarbeit mit dem Institut für Astrophysik in Zukunft vertiefen.“
U. Innsbruck / CT
