Stoßionisation wird durch Welleneigenschaften der Teilchen beeinflusst

Am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg haben Wissenschaftler Stöße von Ionen mit Atomen untersucht und dabei zwei Arten von Ionisation beobachtet bei denen die Materiewellen des Projektils eine Rolle spielen. Ihre Ergebnisse erschienen kürzlich in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ und bringen Theorie und Praxis solcher Stoßexperimente dichter zusammen.

Zwei Arten der Stoßionisation

Wird ein neutrales Atom („Target“) mit einem mehrfach positiv geladenen Ion („Projektil“) beschossen, so kann es zur Ionisation des Atoms kommen, entweder durch einfache Ionisation des Targets oder durch sog. Transferionisation, bei der auch der Ladungszustand des Projektils verändert wird.

Um die experimentellen Ergebnisse solcher Stöße theoretisch zu erklären müssen die Welleneigenschaften des Projektils berücksichtigt werden. Jedes Teilchen zeigt quantenmechanisch auch Welleneigenschaften und besitzt eine spezifische Wellenlänge, die von der Masse des Teilchens abhängt. Je schwerer das Teilchen ist, desto kleiner ist die zugehörige Wellenlänge. Bei einem typischen Projektil-Ion beträgt diese Wellenlänge etwa ein Zehntausendstel des Atomdurchmessers. Die hier entscheidende Eigenschaft von Wellen ist die Kohärenz und damit die Fähigkeit mit einer anderen Welle zu interferieren. Kohärent ist die Welle, wenn die Wellenberge und Täler parallel zueinander und mit festem Abstand auf das Target zu laufen.

Kohärente Welle

Wenn die Kohärenz über eine Breite besteht, die größer ist als das Target, so kommt es zur Interferenz mit der Materiewelle des Elektrons, das zuvor aus der Atomhülle entfernt wurde. Das heißt auch, dass sich die Wellen von Elektron und Projektil an einigen Stellen auslöschen. Dieser Effekt tritt bei der einfachen Ionisation nicht auf, da ihr Wirkungsquerschnitt, also das effektive Target, so groß ist, dass die Welle kaum über dessen gesamte Größe hinweg kohärent sein kann. Bei der Transfer-Ionisation hingegen ist der Wirkungsquerschnitt viel kleiner und die Projektilwelle daher eher über einen ausreichenden Bereich kohärent.

Die Auslöschung der Elektronen, die „destruktive Interferenz“, ließ sich nun im Experiment zeigen. Im Ionenspeichering TSR des Max-Planck-Instituts in Heidelberg wurde ein Strahl von Sauerstoffionen zu einem Ring gebündelt. An einer Stelle im Ring trafen die Ionen auf einen Strahl aus neutralen, sehr langsamen Helium-Atomen. An dieser Stelle kam es sowohl zu einfacher Ionisation als auch zu Transfer-Ionisation.

Rund um den Speicherring waren Detektoren aufgebaut, die die räumliche Verteilung der Stoßprodukte messen. Diese Produkte unterscheiden sich je nach Art der Ionisation. In diesem Aufbau war die Materiewelle der Projektil-Ionen etwa über einen halben Atomradius kohärent. „Die beiden parallel ablaufenden Ionisationsreaktionen mit ihren verschieden großen „Einschlagsflächen“ tasten gewissermaßen die Wellenform des Projektils ab.“, erklärt Michael Schulz, einer der Autoron des Artikels. „Oder anders herum betrachtet: Das Heliumatom „sieht“ entweder eine kohärente oder eine inkohärente Welle auf sich zukommen“, ergänzt Katharina Schneider, die für ihre Dissertation an den Stoßionisationen forschte. Tatsächlich zeigte die Auswertung, dass bei der Transfer-Ionisation die Elektronen nur in bestimmte Richtungen flogen, in den anderen Richtungen wurden sie durch die Interferenz ausgelöscht.