Xenon: 36 auf einen Streich

Ein internationales Team hat es geschafft, mit einem einzigen Röntgenblitz mehr Elektronen aus der Atomhülle des Xenons herauszuschlagen als bisher für möglich gehalten. So trennten sie insgesamt 36 Elektronen vom Xenon ab, nach bisherigen theoretischen Ansätzen dürften es nur 26 sein. Wie die Forscher im Fachblatt „Nature Photonics“ berichten, gelang ihnen dies mit Hilfe eines starken Röntgenlasers, der eine Resonanz im verwendeten Energiebereich hervorrief.

Verliert ein Atom Elektronen, bekommt es eine positive elektrische Ladung – es wird ionisiert. Diese Ionisation ist umso stärker, je mehr Elektronen dem Atom entrissen werden. Die Forscher um Daniel Rolles am CFEL (Center for Free Electron Laser Science) hatten Atome des Edelgases Xenon mit intensiven Röntgenlaserblitzen beschossen. Die Lichtteilchen (Photonen) der verwendeten Röntgenstrahlung hatten mit 1,5 Kilo-Elektronenvolt (1,5 keV) rund tausendmal mehr Energie als sichtbares Licht. Trifft so ein energiereiches Photon auf ein Elektron in der Xenon-Atomhülle, gibt es seine Energie an das Elektron ab. Durch diesen Stoß kann das Elektron aus der Atomhülle herausgeschubst werden – je nachdem, wie fest es gebunden ist.

Rechnerisch bis jetzt unmöglich

Rechnerisch lassen sich bei der verwendeten Energie bis zu 26 der 54 Elektronen des Edelgases herausschießen, die übrigen sind zu stark gebunden. 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“, betont Rolles, der künftig eine Helmholtz-Nachwuchsgruppe bei DESY leiten wird. „Unsere Beobachtung zeigt, dass die bestehenden theoretischen Ansätze modifiziert werden müssen.“

Elektronenkonfiguation von Xenon © gemeinfrei

Ursache für die „unmögliche“ Ionisation ist eine sogenannte Resonanz: Im verwendeten Energiebereich können die Xenon-Elektronen sehr viel Röntgenstrahlung aufnehmen. Manche werden dadurch direkt aus dem Atom hinausbefördert, andere gehen in einen sogenannten angeregten, das heißt energiereicheren Zustand über, sind aber weiterhin an das Atom gebunden. Fällt eines dieser angeregten Elektronen jedoch in seinen Ausgangszustand zurück, wird Energie frei, die einem anderen angeregten Elektron den nötigen Extra-Schubs geben kann, um es ganz aus dem Atom zu befördern. In seltenen Fällen wird auch das bereits angeregte Elektron von einem zweiten Photon aus dem Röntgenblitz getroffen und so aus der Atomhülle geschossen.

Nur bestimmter Energiebetrag erzeugt Resonanz

„Das LCLS (Linac Coherent Light Source)-Experiment hat einen unerwarteten und zuvor unerreichten Ladungszustand produziert, indem gleich Dutzende Elektronen aus einem Atom katapultiert wurden“, betont Co-Autor Benedikt Rudek, Doktorand am Heidelberger Max-Planck-Institut. „Die absorbierte Energie pro Atom war mehr als doppelt so hoch wie erwartet, erklärt er weiter. Wobei interessant ist, dass der Resonanzeffekt für Xenon gerade bei einer Energie von 1,5 keV besonders stark zu sein scheint. Denn bei höheren Energien von etwa 2 keV beobachteten die Forscher eine geringere Ionisierung. Auf Grundlage der Ergebnisse haben die Forscher nun mathematische Modelle zur Berechnung der hier auftretenden Resonanz für andere schwere Atome verfeinert und auch weitere, wie etwa Krypton experimentell untersucht.

Die Beobachtungen haben auch praktische Bedeutung für die Forschung: „Beispielsweise können Forscher unsere Ergebnisse nutzen, die ein sehr stark elektrisch geladenes Plasma erzeugen wollen“, sagt Rolles. Bei der Untersuchung biologischer Proben, die häufig schwere Atome enthalten, sollten Wissenschaftler hingegen die Resonanzbereiche der Atome vermeiden, da dies die zu Probe beschädigen könne (doi: 10.1038/NPHOTON.2012.261).

(Nature Photonics, 12.11.2012 – KBE)