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Atomphysik : Wenn Elektronen Planeten spielen

Ein kompaktes Elektronenpaket kreist um den Atomkern Bild: Joachim Burgdörfer

Fast hundert Jahre nach Niels Bohrs Versuch, sich das Atom als kleines Planetensystem vorzustellen, ist es Physikern nun tatsächlich gelungen, Elektronen wie klassische Teilchen auf Bahnen um den Atomkern kreisen zu lassen.

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          Vor fast hundert Jahren noch versuchten Physiker wie Niels Bohr und Arnold Sommerfeld mit simplen Modellen, die komplexen Vorgänge in einem Wasserstoffatom zu beschreiben. Dabei nahmen sie an, das Elektron in der Hülle kreise auf diskreten Bahnen um den Atomkern – ähnlich wie ein Planet um seinen Stern. Wenig später, als man die Gesetze der Quantenphysik immer besser zu verstehen begann, fand man heraus, dass das Elektron sich eher wie eine diffuse Elektronenwolke verhält, dessen Aufenthaltsort um den Atomkern verschmiert ist. Dass auch die simple Vorstellung von Niels Bohr und seinen Zeitgenossen unter bestimmten Bedingungen der Wirklichkeit recht nahe kommt, hat jetzt eine amerikanische-österreichische Forschergruppe nachgewiesen.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Den Wissenschaftlern um Barry Dunning von der Rice University in Houston (Texas) und Joachim Burgdörfer von der Technischen Universität Wien ist es gelungen, kompakte Wellenpakete in hoch angeregten Kaliumatomen zu erzeugen und für längere Zeit stabil zu halten. Dazu bestrahlten sie isolierte Kaliumatome im Grundzustand mit Laserlicht und beförderten deren äußerstes Elektron, das Valenzelektron, in ein besonders hohes Energieniveau. In diesem Rydberg-Zustand hat sich das Valenzelektron in weit größerem Abstand zum Kern befunden als die übrigen Elektronen der Hülle.

          Ein Elektron auf seiner Bahn

          Anschließend wurden die Rydberg-Atome einer fein abgestimmten Folge von elektrischen Pulsen ausgesetzt. Diese bewirkten, dass aus der Elektronenwolke ein kompaktes Wellenpaket wurde. Das Valenzelektron, das einem klassischen Teilchen ähnelte, umkreiste nun auf einer diskreten Bahn den Atomkern – wie die Planeten um die Sonne. Etwas zehn Umläufe konnten die Forscher direkt beobachten, bis das Wellenpaket sich wieder auflöste. Eine Periode dauerte vier Nanosekunden. Das Elektron bewegte sich dabei gegen den Uhrzeigersinn auf einer fast perfekten Kreisbahn.

          Das kompakte Wellenpaket umkreist auf einer diskreten Bahn den Atomkern
          Das kompakte Wellenpaket umkreist auf einer diskreten Bahn den Atomkern : Bild: Joachim Burgdörfer

          Während in normalen Atomen die komplizierten Gesetze der Quantenmechanik gelten, kann das hoch angeregte Atom nach Aussagen der Forscher mit dem einfacheren Atommodell des dänischen Physikers Niels Bohr beschrieben werden. 1913 vorgestellt, war das Bohrsche Modell der erste erfolgreiche Versuch, die Vorgänge in der Hülle des Wasserstoffatoms mit quantenphysikalischen Regeln zu beschreiben. Bohr nahm unter anderem an, dass der Radius der Elektronenbahn sich nicht kontinuierlich wie im klassischen Sinn änderte, sondern sprunghaft.

          Es braucht ein Riesenatom

          Das angeregte Atom der Forscher um Dunning wies eine weitere Besonderheit auf: Während ein Kaliumatom im Grundzustand normalerweise einen Radius von etwa 0,2 Nanometern hat, betrug der Radius des aufgeblähten Atoms fast fünf Mikrometer. Das Kaliumatom war gewissermaße zu einem Riesenatom gewachsen, wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ (Bd. 100, Nr. 24 3004) brichten.

          Die Forscher hoffen, mit solchen Systemen den Übergang von der Quantenmechanik zur klassischen Mechanik und umgekehrt besser ausloten zu können. Auch denken sie daran, die beiden Valenzelektronen von Erdalkalimetallen so stark anzuregen, dass sie auf zwei verschiedenen Bahnen in großem Abstand um den Atomkern laufen. Das System, das einem kleinen Planetensystem ähnelte, könnte sich als äußerst stabil erweisen.

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