Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hohle Atome: Die große Wirkung eines unterschätzten Effekts

11.09.2017

Ein über 20 Jahre altes Rätsel der Atomphysik wurde an der TU Wien gelöst. Das Ergebnis soll nun auch helfen, die Wirksamkeit ionisierender Strahlung in der Krebstherapie besser zu verstehen.

Die „hohlen Atome“, die in den Labors der TU Wien hergestellt werden, sind äußerst exotische Objekte. Ihre Elektronen befinden sich in einem Zustand extrem hoher Energie (sogenannten Rydbergzuständen), doch wenn man sie durch ein anderes Material hindurchschießt, wird diese Energie innerhalb von Femtosekunden (Millionstel einer Milliardstelsekunde) abgegeben.


Wenn ein hochgeladenes Ion (Mitte) zwischen den Kohlenstoffatomen der Graphen-Schicht hindurchfliegt, kann es Energie abgeben, die dann auf mehrere Kohlenstoffatome verteilt wird.

TU Wien

Lange wurde spekuliert, wie das so rasch geschehen kann. Experimente mit Xenon-Ionen und dem Kohlenstoff-Material Graphen zeigen nun, dass dafür ein bisher unterschätzter Effekt verantwortlich ist – der sogenannte „Interatomare Coulomb-Zerfall“.

Die Untersuchung dieses Effekts spielt auch für unsere Gesundheit eine wichtige Rolle: Wenn man biologisches Material bestrahlt, kann der interatomare Coulomb-Zerfall zu DNA-Brüchen führen. Publiziert wurden diese Ergebnisse nun im Fachjournal „Physical Review Letters“.

Hohle Atome

Extreme Bedingungen werden in den Labors der TU Wien erzeugt: In einer Ionenfalle entreißt man zunächst einzelnen Atomen unter enormen Energieaufwand eine große Zahl von Elektronen, übrig bleibt ein hochgeladenes Ion. Wenn man ein solches Ion auf eine Oberfläche schießt, holt es sich die fehlenden Elektronen von dort wieder zurück.

Allerdings befinden sich diese Elektronen dann in einem Zustand hoher Energie, in einer äußeren Elektronenschale, weit entfernt vom Atomkern – nicht wie normalerweise möglichst weit innen, in einem Zustand niedriger Energie. Wenn sich viele Elektronen in den äußeren Schalen aufhalten und die inneren Elektronenzustände leer sind, spricht man von einem „hohlen Atom“.

„Sobald diese hohlen Atome aber in den Festkörper eintreten, etwa wenn man sie durch eine dünne Schicht hindurchschießt, ändert sich das schlagartig“, erklärt Richard Wilhelm, aus dem Team von Prof. Friedrich Aumayr am Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Die hochangeregten Elektronen regen sich ab und wechseln dabei in einen Zustand niedriger Energie – und das geschieht erstaunlich schnell, sodass man bisher nicht wirklich erklären konnte, welcher Prozess dafür verantwortlich ist.“

„Die üblichen Mechanismen, mit denen Elektronen normalerweise ihre Energie abgeben können, kommen in diesem Fall nicht in Frage, weil sie einfach zu langsam ablaufen“, sagt Friedrich Aumayr. „Man führte daher verschiedene Ad-hoc-Hypothesen ein, um dieses erstaunliche Phänomen doch zu erklären, aber eine wirklich befriedigende Antwort konnte niemand finden.“

Xenon und Graphen

Das Team der TU Wien ging dem Phänomen nun gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf auf den Grund: Man verwendete schwere, extrem stark ionisierte Atome – dreißigfach positiv geladenes Xenon – und feuerte sie auf Graphen, das dünnste Material der Welt, das bloß aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Die Zeit, die ein Xenon-Ion benötigt, um das Graphen zu durchdringen, beträgt bloß eine Femtosekunde, doch dieser ultrakurze Kontakt reicht aus, um die Verteilung der Elektronen völlig zu verändern.

Wie das Forschungsteam nun zeigen konnte, liegt das an einem bisher kaum beachteten Effekt – dem interatomaren Coulomb-Zerfall. Dabei wird die Energie eines einzelnen Elektrons einfach auf mehrere andere Elektronen benachbarter Atome übertragen: Das hochgeladene Xenon-Atom tritt durch die Graphen-Schicht und kommt dort in engen Kontakt mit mehreren Kohlenstoff-Atomen gleichzeitig. Die hohe Energie eines Elektrons aus dem Xenon-Ion wird abgegeben, dafür verlassen gleich mehrere Elektronen im Graphen ihren angestammten Platz und fliegen davon – allerdings jedes nur mit relativ geringer Energie.

Genau deshalb ist dieser eher exotische Prozess auch für die Biologie interessant: Zu solchen interatomaren Coulomb-Zerfällen kann es nämlich kommen, wenn durch ionisierende Strahlung (etwa in der Krebstherapie mit Gamma-, Elektronen- oder Ionenstrahlung) ein inneres Elektron aus einem Atom herausgeschlagen und damit das Atom in einem hochangeregten (hohlen) Zustand zurückgelassen wird.

Auch in diesem Fall kann die Energie auf mehrere benachbarte Atome verteilt werden, viele langsame Elektronen werden emittiert. Das kann die Ursache für DNA-Einzel- und Doppel-Strang-Brüche sein. Während im normalen menschlichen Gewebe dadurch Erbschäden und Krebserkrankungen auftreten, kann dieser Effekt in der Strahlentherapie durchaus sehr positive Wirkung entfalten, indem er die Krebszellen besonders effektiv schädigt.

Durch die Erkenntnis, dass interatomare Coulomb-Zerfälle auch bei hohlen Atomen eine wichtige Rolle spielen, ergeben sich nun neue Wege, sie zu erforschen, und auch für die Biologie relevante Ergebnisse zu erzielen.

Neben der TU Wien und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf waren auch die Universität Duisburg-Essen, das BioISI in Lissabon und die Copernicus-Universität in Torun (Polen) am Projekt beteiligt. Richard Wilhelm, der Erstautor der Studie, war während der Forschungsarbeiten an der TU Wien beschäftigt, arbeitet derzeit am Helmholtz-Zentrum in Dresden-Rossendorf und wird im Oktober an die TU Wien zurückkehren.

Originalpublikation:
R.A. Wilhelm, E. Gruber, J. Schwestka, R. Kozubek, T.I. Madeira, J.P. Marques, J. Kobus, A.V. Krasheninnikov, M. Schleberger, and F. Aumayr; Interatomic coulombic decay - the mechanism for rapid de-excitation of hollow atoms; Physical Review Letters 119 (2017) 103401
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.103401

Rückfragehinweis:
Prof. Friedrich Aumayr
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstr. 8, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13430
friedrich.aumayr@tuwien.ac.at

Weitere Informationen:

https://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2017/hohleatome Bilderdownload

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Belle II liefert erste Ergebnisse: Auf der Suche nach dem Z‘-Boson
06.04.2020 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Festkörperphysik: Vorhersage der Quantenphysik experimentell nachgewiesen
06.04.2020 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

In vielen Bereichen spielen „Elektrolyte“ eine wichtige Rolle: Sie sind bei der Speicherung von Energie in unserem Körper wie auch in Batterien von großer Bedeutung. Um Energie freizusetzen, müssen sich Ionen – geladene Atome – in einer Flüssigkeit, wie bspw. Wasser, bewegen. Bisher war jedoch der präzise Mechanismus, wie genau sie sich durch die Atome und Moleküle der Elektrolyt-Flüssigkeit bewegen, weitgehend unverstanden. Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun gezeigt, dass der durch die Bewegung von Ionen bestimmte elektrische Widerstand einer Elektrolyt-Flüssigkeit sich auf mikroskopische Schwingungen dieser gelösten Ionen zurückführen lässt.

Kochsalz wird in der Chemie auch als Natriumchlorid bezeichnet. Löst man Kochsalz in Wasser lösen sich Natrium und Chlorid als positiv bzw. negativ geladene...

Im Focus: When ions rattle their cage

Electrolytes play a key role in many areas: They are crucial for the storage of energy in our body as well as in batteries. In order to release energy, ions - charged atoms - must move in a liquid such as water. Until now the precise mechanism by which they move through the atoms and molecules of the electrolyte has, however, remained largely unknown. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research have now shown that the electrical resistance of an electrolyte, which is determined by the motion of ions, can be traced back to microscopic vibrations of these dissolved ions.

In chemistry, common table salt is also known as sodium chloride. If this salt is dissolved in water, sodium and chloride atoms dissolve as positively or...

Im Focus: Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elektrischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben dieses Phänomen, das uns auch in unserem Alltag begleitet, nun detailliert untersucht. Sie entwickelten eine Methode zur Quantifizierung der Ladungserzeugung und entwickelten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der beobachtete Effekt eine Möglichkeit zur Energieerzeugung und ein wichtiger Baustein zum Verständnis der Reibungselektrizität sein.

Wassertropfen, die über nicht leitende Oberflächen gleiten, sind überall in unserem Leben zu finden: Vom Tropfen einer Kaffeemaschine über eine Dusche bis hin...

Im Focus: Harnessing the rain for hydrovoltaics

Drops of water falling on or sliding over surfaces may leave behind traces of electrical charge, causing the drops to charge themselves. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz have now begun a detailed investigation into this phenomenon that accompanies us in every-day life. They developed a method to quantify the charge generation and additionally created a theoretical model to aid understanding. According to the scientists, the observed effect could be a source of generated power and an important building block for understanding frictional electricity.

Water drops sliding over non-conducting surfaces can be found everywhere in our lives: From the dripping of a coffee machine, to a rinse in the shower, to an...

Im Focus: Quantenimaging: Unsichtbares sichtbar machen

Verschränkte Lichtteilchen lassen sich nutzen, um Bildgebungs- und Messverfahren zu verbessern. Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hat eine Quantenimaging-Lösung entwickelt, die in extremen Spektralbereichen und mit weniger Licht genaueste Einblicke in Gewebeproben ermöglichen kann.

Optische Analyseverfahren wie Mikroskopie und Spektroskopie sind in sichtbaren Wellenlängenbereichen schon äußerst effizient. Doch im Infrarot- oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium AWK’21 findet am 10. und 11. Juni 2021 statt

06.04.2020 | Veranstaltungen

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium AWK’21 findet am 10. und 11. Juni 2021 statt

06.04.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

06.04.2020 | Energie und Elektrotechnik

Virtueller Roboterschwarm auf dem Mars

06.04.2020 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics