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Mittwoch, 01.06.2016
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Ultrastarker Röntgenlaser erzeugt „hohle” Atome

Überraschende Einblicke in die Wechselwirkung von energiereicher Strahlung und Materie

Mit Hilfe des stärksten Röntgenlaser der Welt haben Forscher fundamentale Einblicke in die Wechselwirkung von energiereicher Strahlung und Materie gewonnen. Wie sie in „Nature“ berichten, entfernten starke Röntgenpulse bei Neon-Atomen überraschenderweise nicht zuerst die äußeren Elektronen, wie normalerweise üblich. Stattdessen schlugen sie die innersten beiden Elektronen heraus und erzeugt so kurzzeitig „hohle“ Atome.
Neon-Atom im Röntgenlaser (Illustration)

Neon-Atom im Röntgenlaser (Illustration)

Der stärkste Röntgenlaser der Welt steht im National Accelerator Laboratory SLAC der USA in Stanford. Die „Linac Coherent Light Source” (LCLS) produziert ultrakurze Pulse von kohärenten, energiereichen Strahlen, die – und das ist das Besondere – durch Elektronen in einem Teilchenbeschleuniger erzeugt werden. Solche so genannten „Freie-Elektronen-Laser“ erreichen Intensitäten von 10 hoch 18 Watt pro Zentimeter und Pulsdauern, die bei weniger als einer Zehntel Femtosekunde liegen. Dadurch ist es möglich, mit ihnen gewissermaßen Schnappschüsse ultraschneller Prozesse in Atomen und Molekülen einzufangen.

Ein bahnbrechender Einblick in die Dynamik eines Atoms ist jetzt einer Forschergruppe des Argonne National Laboratory unter Leitung von Linda Young mit Hilfe des LCLS gelungen. „Keiner hatte bisher Zugang zu Röntgenstrahlen dieser Intensität, daher war die Art und Weise, in der diese Strahlung mit Materie interagiert, bisher völlig unbekannt”, erklärt Young. „Es war daher wichtig, diese grundlegenden Interaktionsmechanismen zu enträtseln.“

Elektronenklau im Neo-Atom


Sie beobachteten, wie einzelne Röntgenpulse nach und nach gasförmige Neon-Atome ihrer Elektronen beraubten. Normalerweise umkreisen Elektronen den Atomkern in verschiedenen Abständen, vereinfacht als so genannte „Schalen“ bezeichnet. Die innerste Schale kann dabei zwei Elektronen aufnehmen, die nächste bis zu acht, die nächstäußere dann bis zu 18 und so weiter. Da die Anziehungskräfte zwischen den Ladungen von Kern und Hülle nahe am Kern am stärksten sind, gelten die innersten Elektronen als am schwersten zu entfernen. Bei relativ niedrigen Strahlungsintensitäten im Röntgenlaser wurden daher erwartungsgemäß auch zuerst die äußeren Elektronen herausgelöst.


„Hohles“ Atom erzeugt


Weitaus überraschender waren dagegen die Vorgänge bei höheren Photonenintensitäten. Es zeigte sich, dass die Strahlung dabei nicht die Elektronen von außen nach innen herausschlägt, wie normalerweise der Fall, sondern genau umgekehrt. Die Neon-Atome wurden von innen heraus ionisiert. Die inneren Elektronen absorbierten die Photonen des Röntgenlichts offenbar besonders leicht. Dabei entstanden zeitweilig sogar „hohle“ Atome – Kerne, die nur von der dünnen Hülle der Außenelektronen umgeben waren.

Transparent für Röntgenstrahlen


Diese entpuppten sich im weiteren Verlauf als „durchsichtig“ für weitere Röntgenstrahlen. „Diese Transparenz der honen Atome könnte sich als nützliche Eigenschaft für zukünftige Experimente erweisen“, so Young. „Denn es erlaubt einem höheren Prozentsatz von Photonen, durch den Atomkern gestreut zu werden und so das Bild zu erzeugen.“ Gezielte Wahl der Strahlstärke könnte damit noch klarere Bilder atomarer Vorgänge – beispielsweise in Molekülen – liefern.
(SLAC National Accelerator Laboratory, 02.07.2010 - NPO)