Wie eine Wolke umgeben Elektronen ein Atom oder Molekül und ziehen in Form von Orbitalen ihre Flugbahnen – sagt das Modell. Kanadischen Physikern gelang es nun, diese Elektonenwolken mit extrem kurzen Laserpulsen im Femtosekunden-Bereich quasi zu fotografieren. Mit dieser Laser-Tomographie, die sie in der Fachzeitschrift Nature (Vol. 432, 16. Dezember, S. 871) beschreiben, könnte sogar das Verhalten der Elektronen beim Ablauf chemischer Reaktionen genauer beobachtet werden.
“Bisher war es unmöglich, einzelne Orbitale auf der Zeitskala chemischer Reaktionen zu beobachten”, berichten Jiro Itatani und seine Kollegen vom National Research Council of Canada in Ottawa. “Aber hier zeigen wir, dass die volle dreidimensionale Struktur eines einzelnen Orbitals mit einer unwahrscheinlich scheinenden Technik abgebildet werden kann.” Polarisierte 800-Nanometer-Laserlichtpulse regen dazu ein Valenzelektron eines Stickstoffmoleküls an, so dass es seine ursprüngliche Flugbahn verlässt. Wird das elektrische Feld, das durch den Laserpuls aufgebaut wird, umgekehrt, bewegt sich dieses Elektron wieder zurück auf das Molekül zu. Dabei wird ein Lichtpuls ausgesendet, mit dessen Hilfe der Aufprallwinkel des Elektrons auf das Orbital des Moleküls berechnet werden kann.
“Obertöne” dieser emittierten Lichtwelle, so genannte “Höhere Harmonische”, sind dabei der Schlüssel für einen erfolgreiche Schnappschuss eines Orbitalbereichs. Denn das zurückfallende Elektron verfügt selbst über eine Energie, die einer Wellenlänge von 0.14 Nanometer entspricht. Dadurch verändert sich das Spektrum des ausgesendeten Lichts zwischen dem Ultraviolett- und Röntgenbereich derart, dass eben jene Oberschwingungen entstehen und gemessen werden können. Die Wellenlänge des Elektrons ist dabei kurz genug, um die Orbitalstruktur bei der Kollision nach dem Zurückfallen mit hoher Auflösung wiederzugeben.
Itanani und seine Kollegen sammelten zahlreiche Spektren dieses emittierten Lichts. Dabei standen das Stickstoff-Molekül und die Flugbahn des zurückfallenden Elektrons in vielen verschiedenen Winkeln zueinander. Die jeweils nach einer Kollision aufgefangenen Lichtstrahlen spiegeln folglich die Bedingungen bei ebenso vielen, verschiedenen Auftreffpunkten auf das Molekülorbital wider. Mit einem Verfahren, das medizinischen Tomographie-Methoden entliehen ist, konnten sie aus diesen zahlreichen Daten ein dreidimensionales Modell des Molekülorbitals berechnen.
“In naher Zukunft sollte es möglich sein, die Elektronenwolken – also die Bindungen eines Moleküls – direkt während einer chemischen Reaktion zu beobachten”, schätzt Henrik Stapelfeldt von der dänischen Universität Aarhus die Chancen dieser Tomographie-Methode ein. Damit eröffne sich ein Blick in die grundlegendsten Vorgänge der Chemie. Mit einem tieferen Verständnis chemischer Reaktionen ließen sich so Synthese-Prozesse besser planen.
Jan Oliver Löfken
