Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat herausgefunden, dass die von polarisierbaren Teilchen in einem Zyklotron ausgesandte elektromagnetische Strahlung winzige Frequenzverschiebungen gegenüber der einfachen Lehrbuchformel aufweist. Auf diese Weise lassen sich der energetische Zustand und die chemische Bindungsstruktur der Teilchen genau bestimmen. Darüber berichtet das Fachmagazin Nature (Band 430 Seite 58).
In einem Zyklotron werden elektrisch geladene Teilchen wie etwa Ionen durch eine Kombination von elektrischen und magnetischen Feldern in einer kreisförmigen Röhre stark beschleunigt. Die Felder werden von einer komplizierten Anordnung von Elektroden erzeugt und halten die Teilchen zudem auf einer stabilen Kreisbahn. Während ihrer Umrundungen senden die Teilchen dabei elektromagnetische Strahlung einer einfach zu berechnenden Frequenz aus, der so genannten Zyklotronfrequenz.
Polarisierbare Ionen weisen jedoch eine leicht veränderte Zyklotronfrequenz auf, haben David Pritchard und seine Kollegen nun entdeckt. Diese Abweichung entsteht, weil sich bei den geladenen Teilchen durch die für die Beschleunigung eingesetzten elektrischen Felder ein Ladungsungleichgewicht ausbildet ? es entsteht ein so genanntes elektrisches Dipolmoment.
Dadurch bewegt sich das eine Ende des Ions, an dem sich die negativen Ladungen ansammeln, mit einer etwas anderen Geschwindigkeit als das Ende mit dem positiven Ladungsüberschuss. Dieses anschauliche, quantenmechanisch natürlich nicht korrekte Bild kann den Forschern zufolge zur Berechnung der Veränderungen der Zyklotronfrequenz angewendet werden.
Da das elektrische Dipolmoment eines Ions zudem von dessen energetischen Zustand abhängt, lassen sich mit Experimenten am Zyklotron Einblicke in die innere Struktur der untersuchten Ionen gewinnen. In ihrem Experiment setzten die Forscher dazu ein Kohlenmonoxid-Ion ein, das durch die Entfernung eines einzelnen Elektrons aus einem Kohlenmonoxid-Molekül gebildet wurde.
Zyklotrons wurden bisher zumeist nur zur Bestimmung der Massen geladener Teilchen benutzt, da die Zyklotronfrequenz in einer einfachen Form von der Masse abhängt. Die Entdeckung der Wissenschaftler lässt nun hoffen, dass derartige Beschleuniger schon bald auch zu komplizierten Untersuchungen des chemischen Aufbaus der Teilchen angewandt werden können.
Stefan Maier
