Quantenphysik Jupiters „Trojaner“ im Atom-Format

Ähnlich wie der Planet Jupiter Asteroiden auf stabilen Bahnen hält, lassen sich Elektronen in Kalium-Atomen durch elektromagnetische Felder stabilisieren. Diese quantenmechanischen Berechnungen von Wissenschafltern der TU Wien konnten jetzt erstmals in Experimenten umgesetzt werden.

Wien/Österreich – Milliarden Jahre können Planeten und Asteroiden regelmäßig rund um die Sonne kreisen. Auch Elektronen, die sich rund um einen Atomkern bewegen, stellt man sich gerne wie Planeten im Mini-Format vor. In Wirklichkeit verhalten sich Atome aufgrund quantenphysikalischer Effekte aber doch ganz anders als Planetensysteme. Nun ist es einem US-amerikanisch-österreichischen Forschungsteam gelungen, Elektronen in Atomen lange Zeit stabil auf planetenartigen Bahnen kreisen zu lassen. Den entscheidenden Trick dafür hat man sich vom Jupiter abgeschaut: Er stabilisiert die Bahnen von Asteroiden – den so genannten „Trojanern“ - und auf ganz ähnliche Weise konnten nun Elektronen-Bahnen rund um den Atomkern durch ein elektromagnetisches Feld stabilisiert werden.

Atome, die größer als rote Blutkörperchen sind

Es sind die wohl größten Atome der Erde: „Einen Hundertstel Millimeter beträgt der Durchmesser der Elektronenbahnen – für atomare Verhältnisse eine gewaltige Distanz“, erklärt Shuhei Yoshida. Die Atome sind damit größer als rote Blutkörperchen. Yoshida führte am Institut für Theoretische Physik der TU Wien die Berechnungen durch, an der Rice University in Houston wurden die Ideen experimentell umgesetzt.

Ein Elektron ist kein Planet

Die Vorstellung, dass Atome und Planetensysteme einiges gemeinsam haben, ist nicht neu: Schon das erste Atommodell von Niels Bohr ging von Elektronen aus, die sich auf festen Bahnen rund um einen Atomkern bewegen. Dieses Bild gilt aber längst als veraltet. Quantenmechanisch wird das Elektron Quanten-Welle oder als „Wahrscheinlichkeitswolke“ beschrieben, die den Atomkern umgibt. Ein Elektron im niedrigsten Energiezustand befindet sich gleichzeitig in allen möglichen Richtungen rund um den Kern – von einem genauen Aufenthaltsort oder einer echten Umlaufbahn kann hier keine Rede sein. Erst wenn man das Elektron auf ein höheres Energie-Niveau anhebt, lässt es sich so präparieren, dass es planetenartigen Bahnen folgt.

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