Röntgenlaser schießt 36 Elektronen aus einem Atom

Menlo Park (Kalifornien) – Trifft der Strahl eines Röntgenlasers auf die Elektronenhülle eines Atoms, gibt er seine Energie an die Elektronen ab und einige von ihnen können aus der Hülle herausgeschlagen werden. Das Atom ist dann ionisiert. Wie viele Elektronen die Hülle verlassen, hängt davon ab, wie hoch die Energie des Lasers ist und wie stark die einzelnen Elektronen im Atom gebunden sind. Bei Experimenten mit dem Edelgas Xenon stellte ein internationales Forscherteam überraschend fest, dass deutlich mehr Elektronen herausgeschleudert wurden als erwartet. Diese scheinbar unmögliche Ionisation entsteht durch Resonanzeffekte, die den Elektronen den entscheidenden Energiestoß versetzen, folgerten die Wissenschaftler. Von ihren Untersuchungen berichten sie in der Zeitschrift „Nature Photonics“.

Experimentierkammer am SLAC

Das Team hatte an der Linac Coherent Light Source (LCLS) des US-Forschungszentrums SLAC in Kalifornien Xenonatome mit intensiven Röntgenlaserblitzen beschossen. Die Photonen der verwendeten Röntgenstrahlung hatten mit 1,5 Kiloelektronenvolt rund tausendmal mehr Energie als sichtbares Licht. Rechnerisch lassen sich bei der verwendeten Energie bis zu 26 der 54 Elektronen des Edelgases herausschlagen. Tatsächlich beobachteten die Wissenschaftler jedoch, dass bis zu 36 Elektronen aus den Atomen flogen. „Nach unserem Wissen ist das die höchste Ionisation, die jemals mit einem einzigen elektromagnetischen Impuls in einem Atom erreicht worden ist“, sagt Daniel Rolles vom Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg.

Die Ursache liegt darin, dass die Elektronen der Xenonatome im verwendeten Energiebereich sehr viel Röntgenstrahlung aufnehmen können. Manche werden dadurch direkt aus dem Atom hinausbefördert, andere gehen in einen angeregten, energiereicheren Zustand über, sind aber noch gebunden. Fällt eines der angeregten Elektronen jedoch in seinen Ausgangszustand zurück, wird wiederum Energie frei, die es einem anderen angeregten Elektron ermöglicht, das Atom zu verlassen. In seltenen Fällen wird auch das bereits angeregte Elektron von einem zweiten Photon aus dem Röntgenblitz getroffen und so aus der Atomhülle geschossen. 

Dieser Resonanzeffekt ist für Xenon gerade bei einer Energie von 1,5 Kiloelektronenvolt besonders stark. Entsprechend beobachteten die Forscher selbst bei einer höheren Energie von zwei Kiloelektronenvolt weniger stark ionisierte Atome. Auf Grundlage der Messungen verfeinerten die Wissenschaftler ein mathematisches Modell, mit dem sich solche Resonanzen in schweren Atomen berechnen lassen. Die Beobachtungen haben auch praktische Bedeutung für die Forschung. „Unsere Ergebnisse liefern ein Rezept, um den Elektronenverlust in einer Probe zu maximieren“, erläutert Rolles. „Beispielsweise können Forscher unsere Ergebnisse nutzen, die ein sehr stark elektrisch geladenes Plasma erzeugen wollen.“ Bei der Untersuchung biologischer Proben hingegen sollten Wissenschaftler die Resonanzbereiche solcher schweren Atome vermeiden. Die Proben werden sonst besonders schnell beschädigt, was die Abbildungsqualität beeinträchtigen kann.