17.01.2022 • Atome und Moleküle

Blick ins Innere von Molekülen

Präzise quantenmechanische Beschreibung der Bindung negativer Ionen an Wasserstoffmoleküle.

Selbst einfachste molekulare Verbindungen sind bis heute nicht zur Gänze verstanden. Wissen­schaftler um Roland Wester von der Uni Innsbruck haben jetzt im Detail untersucht, wie negative Ionen sich an Wasser­stoff­moleküle binden und gemeinsam mit inter­nationalen Partnern eine präzise quanten­mechanische Beschreibung dafür vorgelegt. Das Team wollte schon lange die Bindung von Wasser­stoff­anionen an Wasser­stoff­moleküle unter­suchen. Das erwies sich bisher allerdings als experimentell sehr schwierig. Deshalb haben die Wissen­schaftler ein ähnliches Modell für die Bindung negativer Ionen ausgewählt: Chlor-Ionen, die eine vergleichbare Verbindung mit Wasser­stoff­molekülen eingehen.

Abb.: Die Wissen­schaftler ent­deckten Spektral­linien, die zuvor von...
Abb.: Die Wissen­schaftler ent­deckten Spektral­linien, die zuvor von Theo­re­tikern vor­her­ge­sagt wurden. (Bild: U. Inns­bruck)

„Diese Komplexe sind nur schwach gebunden“, sagt Wester. „Es handelt sich eher um physikalische als um chemische Bindungen.“ Nun ist es den Forschern gemeinsam mit Kollegen in Paris, Bordeaux, Köln und Nijmegen gelungen, die quanten­physi­kalischen Details dieser Bindung zu verstehen und ihre theoretischen Berechnungen experimentell zu untermauern. Der Molekülkomplex aus Chlor und Wasserstoff kommt in zwei unter­schied­lichen Konfigurationen vor, abhängig von der Magnetisierung der Wasser­stoff­atome. Ein quanten­mechanischer Tunnel­effekt führt dazu, dass die Spektral­linien dieser beiden Konfigu­ra­tionen weit ausein­ander­liegen.

Entscheidend für die Unter­suchungen war der Einsatz eines freien Elektronen­lasers, dessen Infrarot­photonen ausreichen, um die schwache Bindung der Molekül­komplexe zu lösen. „Mit konven­tio­nellen Lasern wären Unter­suchungen in diesem Bereich nicht möglich“, sagt Wester, dessen Team eine Ionenfalle am FELIX Laboratory im nieder­ländischen Nijmegen für die Untersuchungen nutzen konnte. Dort gelang es, die entscheidenden Messungen durchzuführen und dabei die Spektral­linien zu entdecken, die zuvor von Theoretikern in Paris und Bordeaux vorhergesagt wurden.

Diese hatten nach früheren Messungen präzise quanten­mechanische Berechnungen für den Molekül­komplex durchgeführt und darauf basierend auf weitere, bisher noch nicht entdeckte Spektrallinien für die zweite Konfiguration hingewiesen. Für deren Nachweis war es notwendig, diese schwächer gebundene Konfiguration stark anzureichern und die Ionenfalle dafür bei leicht erhöhten Temperaturen zu betreiben. Auf diese Weise konnten die Wissen­schaftler schließlich diese neuen Spektral­linien in ihren Messdaten nachweisen.

U. Innsbruck / RK

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