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ATOME
Gasriese Jupiter als Vorbild
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Technischen Universität Wien
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25. Januar 2012

Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, Elektronen in Kalium-Atomen durch elektromagnetische Felder so zu stabilisieren, dass sie wie Planeten um ihren Atomkern kreisen. Grundlage für das Experiment waren Berechnungen von Physikern der Technischen Universität Wien. Diese hatten sich dazu einen Trick beim Gasriesen Jupiter abgeschaut.

Atome

Das Bohrsche Atommodell geht von Atomen aus, die ähnlich wie ein Planet um den Atomkern kreisen. Durch technische Tricks gelang es nun, das Elektron (grün) über lange Zeit zusammenzuhalten. Bild: Technische Universität Wien

Planeten und Asteroiden kreisen seit Milliarden von Jahren beständig um die Sonne. Auch Elektronen, die sich rund um einen Atomkern bewegen, stellt man sich gerne wie Planeten im Mini-Format vor. In Wirklichkeit verhalten sich Atome aber aufgrund quantenphysikalischer Effekte ganz anders als Planetensysteme. Nun ist es einem US-amerikanisch-österreichischen Forschungsteam gelungen, Elektronen in Atomen lange Zeit stabil auf planetenartigen Bahnen kreisen zu lassen. Den entscheidenden Trick dafür hat man sich vom Jupiter abgeschaut: Der Gasriese stabilisiert nämlich die Bahnen von Asteroiden, die sogenannten "Trojanern".

Auf ganz ähnliche Weise konnten nun Elektronen-Bahnen rund um den Atomkern durch ein elektromagnetisches Feld stabilisiert werden. Über ihre Ergebnisse berichtet das Team jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters. "Einen Hundertstel Millimeter beträgt der Durchmesser der Elektronenbahnen - für atomare Verhältnisse eine gewaltige Distanz", so Shuhei Yoshida. Die Atome sind damit größer als rote Blutkörperchen. Yoshida führte am Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Wien die Berechnungen durch, die dann an der Rice University in Houston im US-Bundesstaat Texas experimentell umgesetzt wurden.

Die Vorstellung, dass Atome und Planetensysteme einiges gemeinsam haben, ist nicht neu: Schon das erste Atommodell von Niels Bohr ging von Elektronen aus, die sich auf festen Bahnen rund um einen Atomkern bewegen. Dieses Bild gilt aber längst als veraltet. Quantenmechanisch wird das Elektron als Quanten-Welle oder als "Wahrscheinlichkeitswolke" beschrieben, die den Atomkern umgibt. Ein Elektron im niedrigsten Energiezustand befindet sich gleichzeitig in allen möglichen Richtungen rund um den Kern - von einem genauen Aufenthaltsort oder einer echten Umlaufbahn kann hier also keine Rede sein. Erst wenn man das Elektron auf ein höheres Energie-Niveau anhebt, lässt es sich so präparieren, dass es planetenartigen Bahnen folgt.

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Im Gegensatz zu Planeten bewegen sich die Elektronen aber nicht dauerhaft so weiter: "Ohne zusätzliche Stabilisierung würde sich die Elektronen-Welle schon nach wenigen Umläufen wieder gleichmäßig entlang der Bahn verteilen und hätte keine feste Position mehr", erklärt Prof. Joachim Burgdörfer, Vorstand des Instituts für Theoretische Physik. Eine mögliche Stabilisierung solcher Bahnen kennt man aus der Astronomie schon lange: Jupiter, der massereichste Planet unseres Sonnensystems, stabilisiert durch seine Anziehungskraft die Bahnen der Trojaner. Dabei handelt es sich um tausende kleine Asteroiden, die sich mit Jupiter eine Bahn um die Sonne teilen.

Sie sammeln sich an den sogenannten "Lagrange-Punkten" und bewegen sich entlang der Jupiterbahn mit dem Gasriesen mit - genau mit der selben Umlaufgeschwindigkeit wie Jupiter selbst, so dass sie nie mit dem Planeten kollidieren. Im Atom-Experiment wird diese stabilisierende Wirkung des Jupiters durch ein raffiniert gewähltes elektromagnetisches Feld ersetzt: Das Feld oszilliert genau in der Frequenz, die der Umlaufdauer des Elektrons um den Kern entspricht – es gibt dem Elektron also den richtigen Takt vor und hält die Quanten-Welle des Elektrons viele Umdrehungen lang in einem engen Bereich lokalisiert. Am Atom lassen sich sogar Manipulationen durchführen, die im Planetensystem nicht möglich wären: Das Elektron kann gezielt in eine andere Umlaufbahn überführt werden - so als würde man den Jupiter samt der Asteroiden auf die Saturn-Bahn schieben.

Damit ist es gelungen, astronomische Gegebenheiten in einer quantenphysikalischen Miniaturversion nachzubauen und Atome zu erzeugen, die dem historischen Bohrschen Atommodell erstaunlich nahe kommen. In Zukunft will das internationale Forschungsteam Atome präparieren, in denen sich gleich mehrere Elektronen auf planetenartigen Bahnen bewegen. Mit solchen Atomen soll es möglich sein, genauer zu erforschen, wie die Quantenwelt der winzig kleinen Objekte mit der klassischen Welt unserer Alltagserfahrung zusammenhängt.

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siehe auch
Teilchenphysik: Kalte Atome als Modell für Urmaterie - 27. Januar 2009
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