Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

Weltraumchemie im Labor untersuchtUntersuchungen bei FLASH zeigen, dass bisherige Modellrechnungenfür die Wechselwirkung von Molekülen mitenergiereicher Strahlung unvollständig sind.Mit Hilfe von Radioteleskopen und Satelliten-Missionenhaben Wissenschaftler inzwischen mehr als hundert verschiedene,zum Teil komplexe Moleküle im Weltraum nachweisenkönnen – darunter auch die Bausteine des Lebens. Doch überdie chemischen Schritte, die zu diesen Molekülen führen, istsehr wenig bekannt – nicht zuletzt weil sie in Anwesenheit sehrenergiereicher Strahlung ablaufen, ähnlich wie die Prozesse inder Erdatmosphäre unter der Einwirkung von Sonnenlicht.Im Jahr 2007 haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, des Weizmann-Institutsin Rehovot, Israel, sowie der Universität Aarhus, Dänemark, inZusammenarbeit mit DESY in Hamburg in einem Pionierexperimenterstmals den Aufbruch von Molekülionen durch Strahlungim extremen Ultraviolett (XUV) abgebildet. Die Ergebnisseeines Experiments am Freie-Elektronen-Laser FLASH weisennach, dass bisherige Modellvorstellungen unvollständig sind,und demonstrieren zugleich einen experimentellen Zugang zubestimmten chemischen Prozessen im Universum.Freie-Elektronen-Laser revolutionieren die experimentellenMöglichkeiten in diesem Feld: Während die meisten Moleküleim sichtbaren Licht intakt bleiben und sich allenfalls zu höhererchemischer Aktivität anregen lassen, platzen sie unter XUVoderRöntgenstrahlung häufig in ihre Bestandteile auf. Die Elektronendes Moleküls nehmen dabei die Energie eines Strahlungsquantsauf und es entsteht ein energiereiches, instabilesGebilde, das innerhalb kürzester Zeit zerfällt. Dabei ordnen sichdie Atome neu an oder fliegen als Bruchstücke – kleinere Moleküleoder auch Atome – weg. Diese Prozesse sind von großerBedeutung für chemische Reaktionsketten und -zyklen in interstellarenMolekülwolken und im frühen Universum, aberauch in der hohen Atmosphäre und in industriellen Plasmen.Ziel des Experiments war es, den Aufbruch einzelner Moleküledurch die Wechselwirkung mit den intensiven Strahlungspulsenvon FLASH zu beobachten und möglichst alleBruchstücke in ihrer Bewegung und ihrem inneren Zustand zuvermessen. Hierzu brachten die Forscher Molekülionen auf hoheGeschwindigkeit. Während des schnellen Fluges wurde ihr Zerfalldurch die Wechselwirkung mit der energiereichen Strahlungvon FLASH ausgelöst. Die Bruchstücke flogen dann ineinem engen Winkelbereich nach vorne weiter, jedes einzelnehatte dabei genug Energie, um auf Nachweisgeräten zuverlässigabgebildet zu werden.In den ersten Experimenten bei FLASH wurde das Verhaltenvon Heliumwasserstoff-Ionen (HeH + ) erforscht. In denExperimenten wurde untersucht, inwieweit das Auseinanderbrechender Moleküle von der Polarisation der Strahlung abhängt,also der Richtung, in der die Strahlung schwingt.Zerbricht das Molekül entlang der Polarisation der FLASH-Blitze, so erhält man ein langsameres und ein schnelleres Fragment,welche nacheinander auf den Detektor auftreffen.Umgekehrt werden beim Aufbruch senkrecht zur Polarisationdie Fragmente praktisch zeitgleich an verschiedenen Orten aufdem Detektor nachgewiesen.Das Ergebnis der Messungen ergab nun eine Überraschung:Die bisher theoretisch betrachteten Molekülzustände hatten fürdiesen Prozess einen Aufbruch entlang der Polarisation vermutenlassen. Dagegen fand die Kollaboration um die Max-Planck-Forscher überwiegend senkrecht zur Polarisation gerichteteFragmente, was darauf hindeutet, dass bei Modellrechungenviele der wesentlichen Molekülzustände von HeH + für diesenProzess bisher nicht genug Beachtung gefunden haben unddass bereits ein einfaches System wie HeH + überraschende Ergebnisseliefert.Die Messungen bei FLASH demonstrieren eine Methode,Molekülfragmentation durch energiereiche Strahlung abzubilden.In Zukunft wollen die Forscher diese Prozesse auch beikomplexeren Molekülen untersuchen. Die so zu gewinnendenDaten sind von weitreichender Bedeutung z. B. für die Frage derSynthese organischer Moleküle im interstellaren Raum undihrer Überlebensfähigkeit in den Strahlungsfeldern dort.Linke Abbildung:Aufbruch der chemischenBindung des MolekülionsHeH + durch extremesUltraviolettlicht bei 32nm Wellenlänge parallel(a) und senkrecht (b) zurPolarisationsrichtung derPhotonen (blauer Doppelpfeil)Rechte Abbildung:Flugzeiten und Orte dernachgewiesenen Fragmente.Die Farbskala (vonblau nach rot) gibt dieHäufigkeit der Ereignissean. Es wird vorzugsweiseein Aufbruch des Molekülssenkrecht zur Polarisation(Doppelpfeil)beobachtet. Die Ereignisseformen einen Ring,dessen Radius Auskunftüber die Energiebilanz derReaktion liefert.WissenschaftlicheVeröffentlichung:H. B. Pedersen, S. Altevogt,B. Jordon-Thaden,O. Heber et al.: CrossedBeams PhotodissociationImaging of HeH + withVacuum Ultraviolet Free-Electron Laser Pulses.Physical Review Letters,Vol. 98, 223202 (2007)Synchrotronstrahlung 2009 35