Einmaliger Einblick ins MolekŁl

(Nanowerk News) Prozesse, die auf atomarer Gr√∂√üenskala ablaufen, lassen sich nur mit den Gesetzen der Quantenmechanik genau beschreiben. Physikern der Universit√§t W√ľrzburg ist es jetzt erstmals experimentell gelungen, den Zustand eines solchen quantenmechanischen Systems vollst√§ndig zu erfassen.
‚ÄěEs ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem umfassenden Verst√§ndnis der nat√ľrlichen Prozesse in einer atomaren Gr√∂√üenordnung.‚Äú Dieses Fazit zieht eine Gruppe W√ľrzburger Experimentalphysiker in einer neuen Publikation, die gerade in dem renommierten Journal Nature Communications erschienen ist ("Complete determination of molecular orbitals by measurement of phase symmetry and electron density"). Achim Sch√∂ll, Privatdozent am Lehrstuhl f√ľr Experimentelle Physik VII der Universit√§t W√ľrzburg, und seine Arbeitsgruppe haben gemeinsam mit Forschern aus J√ľlich und Triest einen Weg entdeckt, wie sich die r√§umliche Verteilung von Elektronen in einem Molek√ľl experimentell bestimmen l√§sst.
Schnitt durch ein Molek√ľlorbital
Ein Bild, das einem Schnitt durch ein Molek√ľlorbital im Realraum gleicht, war bislang experimentell nicht zu gewinnen. Physiker der Uni W√ľrzburg haben es jetzt m√∂glich gemacht. (Grafik AG Sch√∂ll)
Die Gesetze der Quantenmechanik
‚ÄěMan muss sich der Gesetze der Quantenmechanik bedienen, wenn man die Vorg√§nge innerhalb eines Atoms oder eines Molek√ľls beschreiben will‚Äú, erkl√§rt Achim Sch√∂ll. Wer in der Schule mal gelernt hat, dass Elektronen den Atomkern auf exakten Bahnen umkreisen - wie der Mond die Erde -, kommt mit seiner Vorstellung in der quantenmechanischen Welt nicht weit. Dort werden Teilchen als komplexe Wellenfunktionen behandelt, zur Beschreibung ihrer Eigenschaften dienen die Amplitude und die Phase dieser Wellen.
Experimentell bestimmen lassen sich diese beiden Werte allerdings nur sehr schwer: ‚ÄěEs geh√∂rt zur Natur des Messprozesses, dass in der Regel die Information √ľber die Phase verloren geht‚Äú, sagt Sch√∂ll. Dies liegt daran, dass in den meisten Experimenten Intensit√§ten gemessen werden, die dem Quadrat der Wellenfunktion und damit der Aufenthaltswahrscheinlichkeit entsprechen. Dadurch geht die Information √ľber die Phase, das hei√üt das Vorzeichen dieser Funktion , verloren.
Bisherige Experimente weisen Schwachstellen auf
Aus Sicht der Experimentalphysiker ist das unbefriedigend, schlie√ülich ist die Phase bei so fundamentalen Prozessen wie der chemischen Bindung oder der Supraleitf√§higkeit der entscheidende Wert. Nach einem Weg, diesen Wert im Experiment zu bestimmen, wird deshalb seit Jahren intensiv geforscht. Zwar gibt es bereits einige wenige Methoden, die es erm√∂glichen, die Phase zu bestimmen. ‚ÄěMit diesen l√§sst sich allerdings nicht gleichzeitig die r√§umliche Verteilung der Elektronen ermitteln‚Äú, sagt Sch√∂ll.
Das W√ľrzburger Experiment
Dass es doch möglich ist, im Experiment zur gleichen Zeit die Phase und die Aufenthaltswahrscheinlichkeit zu bestimmen, haben Schöll und seine Mitarbeiter jetzt gezeigt. Mit Hilfe der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie und zirkular polarisiertem Licht konnten sie dies erreichen.
Bei der Photoelektronspektroskopie ‚Äěbeschie√üen‚Äú die Physiker ihre Probe mit UV- oder R√∂ntgenlicht, welches Elektronen aus der Oberfl√§che der Probe ausl√∂st. Aus der Austrittsrichtung und der kinetischen Energie dieser Elektronen k√∂nnen die Wissenschaftler beispielsweise R√ľckschl√ľsse auf die chemische Zusammensetzung und die elektronische Beschaffenheit des Festk√∂rpers ziehen. Je nach Art der Untersuchung k√∂nnen sie au√üerdem dem Lichtstrahl besondere Eigenschaften mit auf den Weg geben. ‚ÄěZirkular polarisiertes Licht‚Äú bedeutet in diesem Fall: Die Ebene, in der die Lichtwelle schwingt, dreht sich im Kreis ‚Äď mal links, mal rechts herum.
Die Symmetrie liefert die gew√ľnschte Information
‚ÄěJe nachdem, ob wir unser Molek√ľl mit rechts oder links zirkular polarisiertem Licht bestrahlen, treten unterschiedliche Intensit√§tsverteilungen auf‚Äú, erkl√§rt Sch√∂ll. Die Differenz dieser beiden Intensit√§ten, der sogenannte zirkulare Dichroismus, zeigt dann charakteristische Symmetrien, wenn die Einstrahlrichtung des Lichtes ver√§ndert wird. Daraus l√§sst sich die Phase der zugrunde liegenden Wellenfunktion ableiten. Zwar ergibt dieses Experiment die Phase ebenfalls nicht direkt. ‚ÄěWir k√∂nnen aber die Symmetrie der Phase bestimmen und damit sagen, wo der Wert positiv und wo negativ ist‚Äú, sagt der Physiker.
Kombiniert mit den Messergebnissen der Aufenthaltswahrscheinlichkeit gewinnen die Physiker somit ein Bild, das einem Schnitt durch ein Molek√ľlorbital im Realraum gleicht. Und wer das Molek√ľlorbital kennt, kennt gleichzeitig auch die Eigenschaften des Molek√ľls.
Source: Universit√§t W√ľrzburg
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