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Chemie : Ein Atomkern verschwindet

  • -Aktualisiert am

Manchen Molekülen fehlt scheinbar zeitweise ein halber Wasserstoffkern Bild: F.A.Z. - FOTO DIETER RUECHEL

Ultrakurze Aufnahmen lassen einige Moleküle merkwürdig aussehen: Ein Teil ihrer Wasserstoffkerne ist plötzlich weg. Wasser etwa ist nicht mehr H2O, sondern H1,5O. Was geht da vor?

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          Chemie ist wie Lego, das macht sie zu einem vergleichsweise attraktiven Schulfach. Reine Stoffe bestehen normalerweise aus gleichartigen Bausteinen, den Molekülen, und diese aus Atomen, von denen es, ähnlich den Legosteinen, eine überschaubare Zahl verschiedener Sorten gibt: die Elemente, etwa Sauerstoff (O) oder Wasserstoff (H). Halbe oder drittel Atome gibt es nicht, lernen wir. Chemische Formeln, wie H2O für Wasser, sind daher fast so anschaulich wie Bilder, ganz im Gegensatz zu den Formeln in der Physik.

          Nun aber hat ein Berliner Forscherteam etwas Verstörendes entdeckt. Sie machten Momentaufnahmen von Molekülen, wobei der "Moment", also gewissermaßen die Belichtungszeit, nur 500 Attosekunden betrug, das ist die Hälfte eines Millionstels einer milliardstel Sekunde. Innerhalb dieses unvorstellbar kurzen Moments scheint in den Molekülen etwas höchst Merkwürdiges vor sich zu gehen - zumindest in einigen Materialien, die Wasserstoff enthalten. Auf den Schnappschüssen verschwindet ein Teil der Atomkerne des Wasserstoffs, auch Protonen genannt, von der Bildfläche. H2O wird zu etwas, das die Chemie mit H1,5O beschreiben müßte, das ringförmige Benzolmolekül C6H6 schrumpft zu eimem traurigen C6H4,5. Chemikern stehen die Haare zu Berge.

          Schuld daran sind hochgezüchtete Apparaturen, mit denen sich extrem schnelle Vorgänge in Molekülen verfolgen lassen. In die Welt ultraschneller Prozesse stießen zuerst Kernphysiker vor, die das Innenleben der Atomkerne erkundeten. Neuere Experimente machen nun das Zusammenspiel zwischen den Kernen und den Elektronenhüllen der Atome sichtbar.

          Hauptdarsteller ist der Wasserstoff

          Dieses Zusammenspiel bestimmt die Gestalt der Moleküle und ist für alle chemischen Prozesse verantwortlich. Deshalb lassen sich die Versuche, das atomare Geschehen mit immer kürzeren Belichtungszeiten zu studieren, nicht als akademischer Extremsport abtun. Wasserstoff spielt in unserer Biosphäre eine zentrale Rolle. Ein besseres Verständnis darüber, wie Wasserstoff chemische Bindungen eingeht, könnte daher auch das chemische Wirken vieler Biomoleküle, etwa von Proteinen, in völlig neuem Licht erscheinen lassen.

          Noch ist das Spekulation. Doch die Geschichte um die verschwindenden Protonen hat sich seit Mitte der neunziger Jahre zu einem veritablen Wissenschaftsdrama entwickelt. Besetzt ist das Stück mit Anhängern und Gegnern einer Theorie über die Vorgänge in der Attosekundenwelt. Sein Hauptschauplatz ist das Stranski-Laboratorium im Institut für Chemie der Technischen Universität Berlin: Dort sitzt der deutsch-griechische Quantenphysiker Aris Chatzidimitriou-Dreismann, und wenn er über seine Forschung erzählt, kommt er leicht ins Deklamieren: "Das ist eine schmerzhafte Erkenntnis, schmerzhaft!"

          Das Phänomen der Verschränkung

          Nach seiner Vorstellung steht hinter der ganzen Sache mit den verschwundenen Protonen ein berüchtigter Effekt aus der Quantentheorie, die sogenannte "Verschränkung". Dabei tun sich zwei oder mehr Teilchen zu einem neuen Quantenobjekt zusammen, das erhalten bleibt, selbst wenn die Teilchen sich beliebig weit voneinander entfernen. Eine Reihe ingeniöser Experimente konnte seit den siebziger Jahren beweisen, daß dieses verrückte Phänomen existiert und sich exakt nach der Theorie verhält. Solche Verschränkungen sind allerdings extrem empfindlich: Schon bei der kleinsten Störung verflüchtigen sie sich.

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