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Physiker versetzen Molekülen "ein Quantum Stoß"

Ein wesentliches Element der Quantenmechanik ist die Quantelung der Energie. Demnach wird Energie immer nur in einzelnen Portionen übertragen, den sogenannten Quanten. Das gilt auch für den Drehimpuls. Innsbrucker Physiker haben nun präzise vermessen, wie bei einem Stoßprozess ein einziges Quant Energie ein Molekül in Drehung versetzt, berichten sie im Fachjournal "Nature Physics".

Kühlt man Atome und Moleküle auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius), unterliegen sie den Gesetzen der Quantenmechanik. Unter solchen Bedingungen treten Wechselwirkungen zwischen Atomen, Molekülen und Licht nicht mehr bei beliebigen Energien der Teilchen auf, sondern nur bei genau bestimmten Werten. Das gilt auch, wenn man ein Molekül durch den Zusammenstoß mit einem Atom in Drehung versetzen will.

Exaktheit gefordert

Dabei muss das Atom bei der Kollision dem Molekül exakt jenes Quant an Energie zuführen, bei dem es aus der Ruhe in den ersten Drehungszustand versetzt wird. Ist das Atom beim Zusammenstoß zu langsam, beginnt sich das Molekül nicht zu drehen.

"Das ist die Konsequenz der Quantenmechanik. Der Drehimpuls ist nicht mehr frei, es gibt nicht mehr alle möglichen Drehgeschwindigkeiten, sondern nur mehr ein oder zwei oder drei Quanten an Drehbewegung", sagte Roland Wester vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck im Gespräch mit der APA. Diese theoretischen quantenmechanischen Voraussagen haben die Wissenschafter nun präzise vermessen und beschrieben.

Sie haben dazu in einer Ionenfalle negativ geladene Hydroxid-Ionen eingefangen, in ein dünnes Heliumgas eingebettet und auf rund minus 260 Grad Celsius (13 Grad Kelvin) abgekühlt. Mit Hilfe eines Lasers können die Hydroxid-Ionen, die nur aus einem Atom Sauerstoff und einem Atom Wasserstoff bestehen, untersucht werden.

Bei dieser Temperatur bewegen sich die Hydroxid-Moleküle in der Falle immer noch mit 50 bis 100 Meter pro Sekunde. Dennoch ist die Energie, die man in das Molekül stecken muss, damit es sich zu drehen beginnt, viel höher als die Bewegungsenergie der Teilchen in der Falle. "Man braucht das Energie-Äquivalent einer Temperatur von etwa 60 Kelvin, die man da hineinstecken muss, damit sich das Molekül wirklich dreht", so Wester. Grund dafür ist, dass Hydroxid ein relativ kleines Molekül ist und das Quantum Stoß(-Energie) umso größer sein muss, je kleiner und kompakter das Molekül ist.

Funktioniert auch umgekehrt

Die Temperaturverteilung der Heliumatome ermöglicht auch langsame und schnellere Teilchen. Manche sind dabei schnell genug, damit sie die Moleküle bei den zufälligen Zusammenstößen zum Drehen anregen. Der Prozess funktioniert auch in umgekehrter Richtung, wenn bei einer Kollision ein Heliumatom die Drehenergie des Moleküls aufnimmt und dabei beschleunigt wird, während das Hydroxid-Ion aufhört sich zu drehen.

"Das Elegante dabei ist, dass es sonst keine Möglichkeit gibt, Energie in das System hineinzubringen, es gibt genau dieses Quantum Rotation und sonst nichts", so Wester in einer Aussendung der Uni. Durch die präzise Übereinstimmung der Messungen mit den theoretischen Berechnungen wird der Prozess nun auch gut verstanden.

Dies ist speziell für den Bereich der sogenannten kalten Chemie interessant. "Die klassische Vorstellung von Chemie ist ja, dass man irgendeine Energie braucht, damit eine chemische Reaktion losgeht, sei es ein Bunsenbrenner oder ein Zündfunke", so Wester. Bei manchen Substanzen passiert aber interessante Chemie auch ohne diese äußere Energie, selbst bei Temperaturen von minus 160 Grad Celsius und darunter, wie sie auch im Universum auftreten.

Bei solchen Bedingungen beginnen die Gesetze der Quantenmechanik zu wirken. Doch derartige Prozesse sind nicht nur für Quantenphysiker interessant, sondern auch für den Bereich Astrophysik. So könnten elementare Rotationsanregungen auch eine Rolle bei den chemischen Prozessen in Sternentstehungsgebieten spielen.

Service: Internet: http://dx.doi.org/10.1038/nphys3326

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