Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ladungstrennung in einem Molekül aus zwei gleichen Atomen

25.11.2011
Die Größe macht´s

Physiker des 5. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart erbringen den ersten experimentellen Nachweis eines Moleküls aus zwei gleichen Atomen, das trotz hoher Symmetrie eine räumliche Ladungstrennung aufweist. Diese Beobachtung widerspricht der klassischen Lehrbuchmeinung, wie sie in vielen Physik- und Chemielehrbüchern beschrieben wird. Der von den Stuttgartern erbrachte Nachweis verbessert nicht nur das Verständnis von polaren Molekülen. Zukünftig könnten mit ultrakalten polaren Molekülen auch chemische Reaktionen einzelner Moleküle studiert und kontrolliert werden. Die Arbeit wurde in der renommierten Zeitschrift Science*) veröffentlicht.


Molekül aus zwei gleichen Atomen, das trotz hoher Symmetrie eine räumliche Ladungstrennung aufweist.
(Abbildung: Universität Stuttgart)

Ein dipolares Molekül entsteht durch eine Verschiebung des Ladungsschwerpunktes der negativ geladenen Elektronenwolke relativ zum positiven Kern, wodurch ein permanentes elektrisches Dipolmoment auftritt. Üblicherweise ist die Ursache dieser Ladungstrennung eine unterschiedlich starke Anziehungskraft der Kerne unterschiedlicher Elemente auf die negativen Elektronen. Daraus folgt, dass homonukleare Moleküle, also Moleküle aus gleichen Atomen, nach gängigem Verständnis aus Symmetriegründen kein Dipolmoment besitzen.

Bei den in der Gruppe von Prof. Tilman Pfau entdeckten homonuklearen Molekülen mit permanentem Dipolmoment handelt es sich um schwach gebundene Rydberg Moleküle, mit deren erstmaligen Erzeugung die Arbeitsgruppe 2009 weltweit für Aufsehen sorgte. Die Moleküle setzen sich aus zwei gleichen Atomen des Elements Rubidium zusammen, von denen sich eines in einem hoch angeregten elektronischen Zustand befindet, einem sogenannten Rydberg-Zustand. Die ungewöhnliche Bindung wird einzig durch das hochangeregte Rydberg-Elektron des angeregten Atoms vermittelt, das am zweiten Atom gestreut wird. Durch die Streuung des Rydberg-Elektrons am gebundenen Atom ändert sich jedoch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Rydberg-Elektrons leicht, was zu einer Störung der Kugelsymmetrie führt und ein Dipolmoment erzeugt. Aufgrund bisheriger theoretischer Behandlungen wurde kein Dipolmoment erwartet.

Ein normalerweise auftretender Austausch der Anregung zwischen den Atomen, der die Asymmetrie in der negativen Elektronenwolke aufheben würde, wird durch die für zweiatomige Moleküle riesige Größe (1000 mal größer als ein Sauerstoffatom) unterdrückt. Diese Moleküle erreichen nämlich die Größe eines Virus. Die Wahrscheinlichkeit, dass die elektronische Anregung von einem zum anderen Atom übergeht, ist daher so klein, dass sie statistisch nur einmal seit Bestehen des Universums stattgefunden hätte. Als Folge zeigen die homonuklearen Moleküle ein Dipolmoment. Zusätzlich muss die Molekülachse im Raum ausgerichtet sein, um ein gerichtetes Dipolmoment zu erzeugen. Aufgrund seiner Größe rotiert das Molekül so langsam, dass sich das Dipolmoment für einen Beobachter durch die Drehung auch nicht wieder zu null mittelt.

Der experimentelle Nachweis gelang den Stuttgarter Physikern in einer extrem kalten Atomwolke, indem sie die Energieverschiebung des dipolaren Moleküls im elektrischen Feld laserspektroskopisch gemessen haben. Zusammen mit theoretischen Physikern des Max-Plank-Instituts für Physik komplexer Systeme in Dresden und des Harvard-Smithonian Center for Astrophysics in Cambridge, USA, konnte das physikalische Phänomen auch theoretisch bestätigt werden.

Ansprechpartner:
Johannes Nipper, 5. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-64977, e-mail: j.nipper@physik.uni-stuttgart.de

W. Li, T. Pohl, J. M. Rost, Seth T. Rittenhouse, H. R. Sadeghpour, J. Nipper, B. Butscher, J. B. Balewski, V. Bendkowsky, R. Löw, T. Pfau: A Homonuclear Molecule with a Permanent Electric Dipole Moment. Science 25 November 2011, 334 (6059): 1110-1114. DOI: 10.1126/science.1211255 http://www.sciencemag.org/content/334/6059/1110.full.pdf

Andrea Mayer-Grenu | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de
http://www.sciencemag.org/content/334/6059/1110.full.pdf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Astrophysik

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften