Cluster sind Ansammlungen von Atomen, deren Zahl von zwei bis zu vielen tausend reichen kann. Da sie Eigenschaften aufweisen, die je nach Größe denen von Atomen oder Festkörpern nahe kommen, stellen sie ein Bindeglied zwischen beiden physikalischen Systemen dar. Forscher am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik konnten nun erstmals detaillierte Elektronenstoßexperimente an Atomen, zweiatomigen und größeren freien Clustern durchführen. In Stößen, bei denen ein Clusteratom ionisiert wurde, konnten sie die Streuung des emittierten Elektrons im Cluster beobachten und die veränderte Winkelverteilung der Elektronen nachweisen.
Cluster-Untersuchungen erlauben es, den Übergang von atomarem Verhalten zu Festkörpereigenschaften als Funktion der Clustergröße zu untersuchen. In den letzten 10 Jahren haben besonders Edelgascluster starkes Interesse hervorgerufen, in denen die Atome durch die sehr schwache, sogenannte van-der-Waals-Kraft aneinandergebunden sind. Da bei diesen Clustern die atomaren Abstände größer als der Atomdurchmesser sind, verhalten sie sich oft so, als ob jedes Atom nahezu unabhängig sei. Solche Systeme erlauben es, eine Reihe von neuen Phänomenen zu untersuchen, die auftreten, wenn ein Atom in eine Umgebung eingebettet ist, und die für isolierte Atome nicht auftreten.
Am MPI für Kernphysik haben nun Wissenschaftler Experimente durchgeführt, bei denen Cluster aus Argonatomen durch den Stoß mit einem energiereichen Elektron ionisiert wurden. D.h. im Stoß wurde ein Elektron aus der Hülle eines Clusteratoms herausgeschlagen. Durch den Nachweis aller Fragmente, also des gestreuten Projektilelektrons, des freigesetzten Elektrons und des zurückbleibenden Clusterions konnten neben der Größe des Clusters auch die Richtungen und Geschwindigkeiten beider Elektronen bestimmt werden. Die Abbildung zeigt gemessene Richtungsverteilungen von freigesetzten Elektronen, wenn das Projektilelektron von unten kommend auf das Target trifft und nach links abgelenkt wird. Die Messung oben wurde an freien Atomen durchgeführt. Dabei wird das herausgeschlagene Elektron vornehmlich in Richtung des vom Projektil übertragenen Impulses, also rechts oben, emittiert. Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit kann das getroffene Elektron dabei nochmals am Atomkern streuen und nach links unten reflektiert werden, was zu einem zweiten Maximum und damit insgesamt zu einer Erdnussform führt. Bei einem Stoß mit einem Cluster aus mehreren Atomen können zusätzliche Kollisionen mit Nachbaratomen auftreten (Abb., Mitte). Die ursprüngliche Richtungscharakteristik verändert sich dabei nur leicht, da die Clusteratome große Abstände haben und Mehrfachstöße dadurch recht unwahrscheinlich sind. Durch die präzise Geschwindigkeitsmessung der Elektronen lassen sich nun aber solche Kollisionen identifizieren, bei denen das freigesetzte Elektron im Cluster nochmals an einem Nachbaratom gestreut wird und dabei Energie verliert. In diesem Fall ändert sich die Winkelverteilung deutlich (Abb., unten) und die ursprünglich stark gerichtete geht in eine fast isotrope, d.h. ungerichtete Emission des Elektrons über.
Diese ersten Experimente eröffnen nun die Möglichkeit, das Verhalten freier Elektronen in Clustern genauer zu untersuchen. Da Elektronen Welleneigenschaften haben, wurden z.B. auch Interferenzphänomene vorhergesagt, die sich in charakteristischen Winkelverteilungen der gemessenen Elektronen zeigen sollten.
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Originalveröffentlichung:
Thomas Pflüger, Arne Senftleben, Xueguang Ren, Alexander Dorn, and Joachim Ullrich,
Phys. Rev. Lett. 107, 223201 (2011), doi: 10.1103/PhysRevLett.107.223201
Elektronenstöße (Abteilung Ullrich)
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