16.06.2020

Spektroskopie an radioaktiven Molekülen

Erstmals gelingt Laserspektroskopie an kurzlebigen Molekülen, was fundamentale Tests ermöglicht.

Radioaktive Moleküle eignen sich als Miniatur-Laboratorien, mit denen sich grundlegende Eigenschaften von Elementar­teilchen und Atomkernen studieren lassen – das ist das Ergebnis eines Experiments, über das ein internationales Forschungskonsortium nun berichtet. Die Gruppe nutzte eine Beschleunigeranlage des europäischen Kern­forschungs­zentrums CERN, um kurzlebige radioaktive Moleküle zu erzeugen, die das Team dann erstmals mittels Laser spektroskopisch untersuchte. 
 

Abb.: Am Ionen­separator Isolde des CERN führte das Team erstmals...
Abb.: Am Ionen­separator Isolde des CERN führte das Team erstmals spektro­skopische Unter­suchungen an einem kurzlebigen radio­aktiven Molekül durch. (Bild: U. Marburg)

„Lasst das Molekül die Arbeit der Physik machen!“, empfiehlt der Marburger Chemie­theoretiker Robert Berger. Schon vor etwa zehn Jahren unterbreitete er gemeinsam mit Kollegen einen Vorschlag, wie man Experimente mit kurzlebigen radio­aktiven Molekülen anstellen kann, um daraus etwas über elementare Physik zu lernen. „Wir machen uns zunutze, dass manche physikalischen Effekte in Molekülen um ein Vielfaches verstärkt werden können“, sagt Berger, der theoretische Chemie an der Philipps-Universität Marburg lehrt; er ist zusammen mit dem amerikanischen Physiker Ronald Fernando Garcia Ruiz einer der Autoren der neuen Veröffentlichung. 

Der Verstärkereffekt macht sich besonders bei Molekülen bemerkbar, die sehr schwere, radioaktive Bestandteile enthalten. „Wir identifizierten Radium­monofluorid als besonders interessant, um Verletzungen fundamentaler Symmetrien in der Natur zu studieren und damit etwas über den grundlegenden Aufbau der Materie zu lernen“, erklärt Timur Isaev vom Petersburger nuklear­physikalischen Instituts des Nationalen Forschungs­zentrums Kurchatov Institut in Russland, ein früherer Mitarbeiter von Berger. Dabei besteht freilich das Problem, dass solche Moleküle kurzlebig sind, wenn die radioaktiven Atomkerne schnell zerfallen. 

Experimentell erworbene Kenntnisse über kurzlebige radioaktive Moleküle sind rar, so dass quantenchemische Berechnungen oft die einzige Informationsquelle bilden. Kurzlebige radioaktive Kerne kommen in der Natur nicht vor und müssen daher künstlich in spezialisierten Einrichtungen wie dem Isotopentrenner Isolde am CERN hergestellt werden. 

Zusammen mit Garcia Ruiz versammelte der Chemiker ein internationales Team am europäischen Kernforschungs­zentrum in Genf, um in einem ausgeklügelten Versuchs­aufbau schrittweise Radium­monofluorid herzustellen und dessen Eigenschaften zu studieren. „Nach unserer Kenntnis ist dies das erste Mal, dass kurzlebige radioaktive Moleküle mittels Laser­spektroskopie untersucht wurden“, hebt Berger hervor. „Hätten unsere theoretischen Vorhersagen nicht gestimmt, so wäre am Ende der Messung unter Umständen kein Hinweis auf Radium­monofluorid zu sehen gewesen“, fügt er hinzu. „Wir waren daher sehr gespannt, aber das Experiment lief fantastisch.“ In der Fachwelt ziehen die Ergebnisse weite Kreise, weiß der Chemiker zu berichten: „Jetzt schicken sich Beschleunigerzentren in der ganzen Welt an, ähnliche Experimente mit radioaktiven Molekülen durchzuführen.“

Robert Berger leitet eine Arbeitsgruppe für theoretische Chemie an der Philipps-Universität Marburg; daneben beteiligten sich zahlreiche weitere Arbeitsgruppen an dem Experiment in dessen unter­schiedlichen Phasen. Zunächst erzeugte das Team durch Protonen­beschuss eines uranhaltigen Materials Radium­atomkerne verschiedener Masse, die anschließend erhitzt und mit CF4-Gas umspült wurden. „Nur mit hochempfindlicher und gleichzeitig hochauflösender Massen­spektrometrie konnten wir nachweisen, dass tatsächlich geladenes Radium­monofluorid gebildet wurde, gleichzeitig aber keine anderen ionisierten Atome oder Moleküle entstanden, welche die Messungen behindert hätten“, sagt Frank Wienholtz aus dem Team von Lutz Schweikhard von der Universität Greifswald. 

Durch Stoß mit Natriumatomen erhielt die Forschungsgruppe elektrisch neutrales Radium­monofluorid. Dieses Molekül regte sie schrittweise mit Lasern energetisch an, bis es wieder in einen elektrisch geladenen Zustand überging, der effizient detektiert werden konnte. „Einen ähnlichen Ansatz nutzen wir üblicherweise zur Spektroskopie an Atomen“, erläutert Klaus Wendt von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. „Aber nun wurde er erstmalig erfolgreich zur Untersuchung kurzlebiger radioaktiver Moleküle verwendet.“

Der Laborastrophysiker Thomas Giesen von der Universität Kassel trug zusammen mit seinem Doktoranden Alexander Breier maßgeblich zur Interpretation der Molekül­spektren bei. „Unsere Auswertung zeigt, dass Radiummonofluorid durch Laserkühlung auf Temperaturen heruntergekühlt werden kann, die es erlauben, sie in allen Einzelheiten zu untersuchen“, legt Giesen dar. Bei der Laser­kühlung beschießt man ein Molekül mit Lichtquanten, die dadurch einen Impuls übertragen, der das Molekül abbremst. Die Laser­kühlbarkeit ist erforderlich, um elementare physikalische Eigenschaften geeigneter Moleküle mit hoher Präzision zu bestimmen. 

U. Marburg / DE
 

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