12.03.2012

Max-Planck-Institut für Kernphysik

Vierteilchendynamik der Transfer-Ionisation in Ion-Helium-Kollisionen

Bei Transfer-Ionisation eines Helium-Atoms im Stoß mit einem Ion wird eines der beiden Elektronen des Atoms von dem Ion eingefangen und zugleich das andere freigesetzt. Eine umfassende experimentelle Studie dieses fundamentalen Vierkörpersystems zeigt eine bevorzugte Emission des Elektrons entgegen der Flugrichtung des Ions. Dieser Befund bestätigt einen theoretisch vorhergesagten neuen Mechanismus in einem überraschend weiten dynamischen Bereich. Eine wichtige Rolle spielt hier die gegenseitige Abstoßung der Elektronen (Physical Review Letters, 26. Januar 2012).

„Ein, zwei, viele …“ – so könnte man die mathematischen Schwierigkeiten zusammenfassen, welchen sich die Physik in der Beschreibung mehrerer Teilchen stellen muss, wenn deren Wechselwirkung über große Distanzen reicht, wie es bei der Gravitation zwischen Massen und der elektrischen Abstoßung bzw. Anziehung zwischen Ladungen der Fall ist. Das Zweikörperproblem wurde bereits von Newton gelöst, der damit die den Keplerschen Gesetzen folgenden Umläufe der Himmelskörper auf Basis des Gravitationsgesetzes und der von ihm begründeten „klassischen“ Mechanik in mathematisch geschlossener Form darstellen konnte. Auch in der Quantenphysik erweist sich das Wasserstoffatom als Zweikörperproblem des Mikrokosmos im Sinne der Schrödingerschen Wellenmechanik ohne Näherungen lösbar. Aber schon bei drei (und mehr) Teilchen ist man auf Näherungsverfahren und numerische Methoden angewiesen. Dies hat sich zuerst in der Himmelsmechanik gezeigt, wenn man z. B. die Gravitation der Planeten untereinander nicht vernachlässigen will. Gleiches gilt für die Quantenphysik, wobei inzwischen sowohl experimentell als auch – nicht zuletzt dank schneller und leistungsfähiger Computer – in der Theorie erhebliche Fortschritte erzielt wurden.

Ein Modellsystem für das Vierkörperproblem ist die Kollision eines Ions (z. B. ein Proton) als Projektil mit einem Heliumatom als Target, das aus seinem Atomkern und zwei Elektronen besteht. Hierbei sind das Projektil und der Targetkern positiv, die Elektronen negativ geladen, und in einer vollständigen Beschreibung müssen alle wechselseitigen anziehenden bzw. abstoßenden elektrischen Kräfte berücksichtigt werden. Ein besonders interessanter Prozess bei einem solchen Stoß ist die so genannte Transfer-Ionisation. Hier wird eines der Elektronen von dem Ion eingefangen, während zugleich das andere Elektron freigesetzt wird. Ist das Projektil ein Proton, so hat man im Endzustand ein doppelt ionisiertes Helium-Ion (Heliumkern), ein Wasserstoffatom (Proton plus eingefangenes Elektron) und ein freies Elektron. Ein wichtiger Parameter dabei ist die so genannte Störung, der Quotient aus Ladung und Geschwindigkeit des Projektils als Maß für die Stärke und Dauer der Wechselwirkung. Um den zugrunde liegenden Mechanismen der Transfer-Ionisation genauer auf den Grund zu gehen, haben Physiker des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK), der Missouri University of Science & Technology und der Universität Frankfurt die Reaktionsprodukte umfassend und mit hoher Genauigkeit vermessen. Die Geschwindigkeiten und Richtungen der Teilchen geben dabei Aufschluss darüber, wie ein solcher Prozess im Detail abläuft.

Durchgeführt wurden die Experimente am TSR-Speicherring des MPIK und am Institut für Kernphysik der Universität Frankfurt mit einem so genannten Reaktionsmikroskop zum Nachweis der Reaktionsprodukte. Im Ergebnis zeigte sich, dass das bei Transfer-Ionisation freigesetzte Elektron vorzugsweise entgegen der Flugrichtung des Projektils beobachtet wird (Abb. 1a). Eine Tendenz zur Emission in Rückwärtsrichtung wurde bereits früher in Experimenten der Frankfurter Gruppe beobachtet, nicht aber in dieser Bündelung und Deutlichkeit. Als Erklärung dient ein Mechanismus, der erst vor einigen Jahren von Alexander Voitkiv, theoretischer Physiker am MPIK, vorgeschlagen und berechnet wurde. Die zugrunde liegende Idee ist recht einfach: das Projektil bewegt sich in den betrachteten Fällen deutlich schneller als das um den Heliumkern kreisende einzufangende Elektron. „Dieses muss sozusagen auf den fahrenden Zug aufspringen“, so Daniel Fischer, Leiter einer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe am MPIK. „Dabei gilt Newtons Prinzip ‚actio = reactio“, d. h. das Elektron braucht einen Rückstoßpartner, um sich auf die Geschwindigkeit des Projektils zu beschleunigen“. Eine Möglichkeit ist die Wechselwirkung mit dem anderen Elektron (e-e-Prozess), welches dabei freigesetzt wird und einen Rückstoß in die entgegengesetzte Richtung erfährt (Abb. 2a). Der Heliumkern spielt hier mehr die Rolle eines fast passiven „Zuschauers“.

Freilich kann auch das Projektil selbst das andere Elektron herausschlagen (Abb 2b), welches dann aber eher seitwärts emittiert wird (Abb 1d). Von der Charakteristik ähnelt dies dann einer direkten Ionisation des Heliumatoms im Ionenstoß (Abb. 1c). Beide Mechanismen zeigen sich deutlich im Experiment, wobei der e-e-Prozess sogar dominieren kann. „Bemerkenswert ist die Tatsache, dass wir den e-e-Prozess auch noch bei recht großen Störungen durch das Projektil so deutlich sehen“, sagt Michael Schulz aus Missouri, zurzeit Gastwissenschaftler am MPIK. „Wir hätten eher erwartet, dass hier die Wechselwirkung mit dem Projektil überwiegt.“ Insgesamt bestätigen die Resultate aber die theoretischen Rechnungen recht zufriedenstellend (Abb. 1b). Offen bleibt noch die Frage, welche Rolle Quanteneffekte in Gestalt einer Interferenz beider Reaktionswege spielen. Hierfür gibt es Anzeichen in den Messergebnissen im Vergleich zur Theorie (Abb 2c), in welcher beide Mechanismen noch unabhängig behandelt wurden.

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