Es ist nicht einfach, einen Golfball auf hügeligem Gelände ins Loch zu bringen. Um wie viel schwieriger wäre das Spiel aber erst, wenn die Position jedes Golfballes auf dem Platz die Form und Lage der Hügel und Täler verändern würde. Doch mit einer damit vergleichbaren Rechentechnik ist es Eckart Wrede von der Universität Durham und seinen Kollegen jetzt gelungen, eine Anomalie der theoretisch und experimentell gut untersuchten Wasserstoff-Austauschreaktion verständlicher zu machen.
Bei der Wasserstoff-Austauschreaktion reagieren ein Wasserstoffatom und ein aus zwei Atomen bestehendes Wasserstoffmolekül miteinander. Wie der Name der Reaktion schon verrät, nimmt das Wasserstoffmolekül das freie Atom auf und gibt dafür eines seiner beiden Atome ab. Experimentell ist diese chemische Reaktion in den vergangenen 75 Jahren intensiv erforscht worden.
Der Fortschritt in der Leistungsfähigkeit von Computern hat inzwischen auch detaillierte Berechnungen dieser Reaktion ermöglicht. Schon bei einem so einfachen System wie dem der drei miteinander wechselwirkenden Wasserstoffatome erfordern die zu lösenden quantenmechanischen Gleichungen eine riesige Rechenkapazität.
Diese Rechnungen bestätigten eine bereits experimentell gefundene Anomalie im Verhalten der drei Atome. Genau wie Elementarteilchen verhalten sich die Atome aufgrund der Quantenmechanik wie eine Welle. Mehrere Wellen “interferieren” in der Regel miteinander. Das bedeutet, dass sie sich gegenseitig auslöschen, wenn ein Wellenberg auf ein Wellental trifft, oder dass sie sich verstärken, wenn Tal auf Tal und Berg auf Berg treffen. Die Folgen dieser Interferenz wurden aber bei der Wasserstoff-Austauschreaktion bei bestimmten niedrigen Energien nicht beobachtet ? was durchaus in Einklang mit den Computerrechnungen steht.
Doch komplexe Computerrechnungen sind nicht anschaulich und wecken auch in Wissenschaftlern nicht immer das Gefühl, einen Sachverhalt wirklich verstanden zu haben. Wrede und seinen Kollegen ist es nun mittels eines mathematischen Tricks gelungen, die Vorgänge bei der Wasserstoff-Austauschreaktion als die Bewegung der drei beteiligten Wasserstoffatome in einer “Energielandschaft” darzustellen. Diese Energielandschaft ist mit einem Golfplatz vergleichbar, der seine Oberflächenform dauernd der Lage der Golfbälle anpasst. Es zeigt sich, dass die Atome in dieser Landschaft bei niedrigen Energien Wegen folgen, die so weit voneinander getrennt sind, dass die quantenmechanischen Wellenfunktionen nicht miteinander interferieren können.
Juan Carlos Juanes-Marcos et. al.: Science, Bd. 309, S. 1227
Axel Tillemans
