17.06.2020

Wenn das Elektron entschwindet

Rückstoß des Elektrons auf den Atomkern bei Ionisationsvorgängen direkt bestimmt.

Bereits im 16. Jahrhundert postulierte Johannes Kepler, dass das Sonnenlicht einen gewissen Druck ausübt, zeigte doch der Schweif der von ihm beobachteten Kometen stets weg von der Sonne. 2010 nutzte die japanische Raumsonde Ikaros erstmals ein Sonnensegel, um durch die Kraft des Sonnenlichts ein wenig schneller zu werden. Physikalisch und intuitiv kann der Licht- oder Strahlungsdruck mit den Teilchen­eigenschaften von Licht erklärt werden: Die Photonen prallen auf die Atome eines Körpers und übertragen einen Teil ihres eigenen Impulses auf den Körper, der dadurch schneller wird. 
 

Abb.: Impuls­verteilung der Helium­ionen nach einfacher Ionisierung durch...
Abb.: Impuls­verteilung der Helium­ionen nach einfacher Ionisierung durch zirkular polarisierte Photonen. (Bild: S. Grundmann et al., APS)

Als Forscher im 20. Jahrhundert diese Impuls-Übertragung allerdings im Labor in Experimenten mit Photonen bestimmter Wellen­längen untersuchten, die aus Atomen einzelne Elektronen herausschlugen, stießen sie auf ein überraschendes Phänomen: Der Impuls des herausgeschlagenen Elektrons war größer als der des ankommenden Photons. Dies ist eigentlich unmöglich, denn seit Isaac Newton ist bekannt, dass es in einem System für jede Kraft eine gleich große, aber entgegengesetzte Kraft geben muss, quasi den Rückstoß. Daher folgerte 1930 der Münchener Wissenschaftler Arnold Sommerfeld, dass der zusätzliche Impuls des wegfliegenden Elektrons von dem Atom stammen muss, das es zurücklässt. Dieses Atom müsse in die entgegengesetzte Richtung und damit auf die Lichtquelle zu fliegen. Messen konnte man das mit den damals verfügbaren Instrumenten nicht.

Neunzig Jahre später ist es jetzt Wissenschaftlern um den Doktoranden Sven Grundmann und Professor Reinhard Dörner vom Institut für Kernphysik erstmals gelungen, diesen Effekt mit dem an der Goethe-Universität Frankfurt entwickelten Coltrims-Reaktions­mikroskop zu vermessen. Sie nutzten dazu Röntgenlicht an den Beschleuniger­zentren DESY in Hamburg und ESRF im französischen Grenoble, um aus Helium- und Stickstoffmolekülen Elektronen herauszuschlagen. Die Bedingungen wählten sie dabei so, dass dafür jeweils nur ein Photon pro Elektron genügte. Den Impuls von herausgeschlagenen Elektronen und der nunmehr geladenen Helium- und Stickstoffionen konnten Sie im Coltrims-Reaktions­mikroskop mit bislang unerreichter Genauigkeit bestimmen. 

Reinhard Dörner erläutert: „Wir konnten nicht nur den Impuls des Ions messen, sondern auch sehen, woher er kommt, nämlich vom Rückstoß des heraus­geschlagenen Elektrons. Wenn Photonen bei solchen Stoß­experimenten niedrige Energien haben, kann man rechnerisch den Photonenimpuls vernachlässigen. Bei hohen Photonen-Energien führt das allerdings zu Ungenauigkeiten. In unseren Experimenten haben wir jetzt die energetische Schwelle bestimmen können, ab der der Photonenimpuls nicht mehr vernachlässigt werden kann. Unser experimenteller Durchbruch erlaubt uns jetzt viele weitere Fragen zu stellen, wie etwa die, was sich ändert, wenn man die Energie auf zwei oder mehr Photonen verteilt.“

U. Frankfurt / DE

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