Rutherford-Experiment mit Licht statt Alphateilchen
Photothermisches Potenzial von Gold-Nanopartikeln lenkt Licht so ab wie bei den klassischen Streuexperimenten.
Vor etwas mehr als 100 Jahren gelang den Physikern Ernest Rutherford, Hans Geiger und Ernest Mardsen der erste Blick in die innere Struktur der Atome. Der Beschuss einer hauchdünnen Goldfolie mit Heliumkernen hatte den Forschern verraten, dass der Atomkern etwa 10.000-mal kleiner als das Atom selbst ist und trotzdem nahezu die gesamte Masse des Atoms in sich trägt. Dieser winzige Kern enthüllte sich durch sein elektrostatisches Potenzial, das die ihn torpedierenden Helium-Kerne ablenkte. Physiker der Universität Leipzig zeigten jetzt erstmals theoretisch und experimentell, dass man mit Licht und einem entsprechendem Potenzial ein vollkommen äquivalentes Experiment durchführen kann.
Abb.: Makroskopische Variante des Experiments: Eine ein Zentimeter große Kupferkugel befindet sich ein einem sechs Zentimeter großen Acryl-Block. Der Laserstrahl heizt mit circa einem Watt die Kugel auf, wodurch das photothermische Potenzial entsteht. Die schwache Ablenkung des roten Lasers entspricht dabei einer Rutherford-Trajektorie. (Bild: M. Selmke, U Leipzig)
Ein winziges Goldnanopartikel wird dabei mit einem Laser aufgeheizt und erzeugt durch seine erhöhte Temperatur in der Umgebung ein photothermisches Potenzial, das Licht genauso ablenkt wie das elektrostatische Potenzial die Heliumkerne. „Das photothermische Potenzial ist nichts anderes als eine Änderung der Brechkraft des Materials, das die Goldnanopartikel umgibt. Es verrät uns die Position des Goldnanopartikels“, erklärt Markus Selmke vom Institut für Experimentelle Physik der Universität Leipzig, der die Versuche vorgenommen und gleichzeitig auch die komplexe Theorie dazu entwickelt hat.
Durch die Erkenntnisse von Selmke und seinem Kollegen Frank Cichos könnten zum Beispiel die Methoden des bald hundertjährigen Theorie-Gebäudes der Quantenmechanik Aufschlüsse über thermische Prozesse im Nanometerbereich geben. Dies ist ein Thema, das unter anderem für die Halbleiterindustrie von großem Interesse ist.
Die aufgedeckte Analogie zwischen dem photothermischen Effekt und der Rutherford-Streuung ist noch viel weitergehender, wie die zwei Forscher herausfanden. „Man kann die Rutherford-Streuung für Licht für das bloße Auge sichtbar machen, indem man keine Goldnanopartikel sondern zentimetergroße Metallkugeln verwendet“, sagt Selmke. Dadurch werden die sonst winzig kleinen Abmessungen des photothermischen Potenzials groß genug, um sie mit dem bloßen Auge zu sehen.
U Leipzig / DE
