Wie viel Energie steckt in einem Röntgen-Photon?

Wie bewegen sich Elektronen in Ionen und Atomen und wie laufen chemische Reaktionen ab? Dank hochauflösender Analyseverfahren können Wissenschaftler heute immer kleinere Details abbilden und immer schnellere Natur-Prozesse verfolgen.

„Mittlerweile sind wir in der Lage, tief ins Innere von Atomen und Molekülen zu sehen“, sagt Prof. Dr. Thomas Stöhlker vom Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Das sei unter anderem der rasanten Entwicklung von Quellen brillanter Röntgenstrahlung zu verdanken, so der Inhaber des Lehrstuhls für Atomphysik hochgeladener Ionen. Allerdings habe diese Entwicklung das verfügbare Instrumentarium zur Messung und Charakterisierung von Röntgen-Photonen abgehängt. „Dafür brauchen wir neue Werkzeuge“, macht Stöhlker deutlich.

Der Physiker und seine Kollegen von der Universität Jena und dem Jenaer Helmholtz-Institut haben daher im Verbund mit Forschern der Uni Heidelberg ein gemeinsames Projekt ins Leben gerufen: „PolarX: Präzisions-Röntgen-Spektroskopie und -Polarimetrie“. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Verbundprojekt, an dem auch das Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig als Kooperationspartner beteiligt sind, in den kommenden drei Jahren mit insgesamt rund 1,5 Millionen Euro. Neben der Arbeitsgruppe von Prof. Stöhlker sind auch die Teams um Prof. Dr. Stephan Fritzsche und Prof. Dr. Gerhard Paulus von der Uni Jena beteiligt.

Ziel des Projekts ist, die bereits etablierten Nachweismethoden aus dem optischen Bereich auf den Bereich des Röntgenspektrums auszuweiten und beide Bereiche methodisch aneinander zu koppeln bzw. aufeinander abzustimmen. Grundlage dieser Methoden ist die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung – bestehend aus Photonen – mit Atomen oder Ionen. „Trifft Strahlung geeigneter Wellenlänge und Frequenz etwa auf Elektronen in einem Atom, so gehen die Elektronen in einen „angeregten“ Zustand über“, erläutert Stöhlker, der Sprecher des Verbundprojekts ist. Die dabei absorbierte Energie ist für den jeweiligen Elektronenübergang charakteristisch. „Anhand solcher Absorptionsspektren lassen sich daher Aussagen zur Struktur der atomaren und chemischen Bindungen von Atomen und Molekülen gewinnen.“

Für den optischen Bereich sind diese spektroskopischen Methoden längst etabliert und vielfältig im Einsatz. „Im Vergleich zu Photonen im sichtbaren Bereich sind Röntgen-Photonen aber sehr viel energiereicher“, sagt Prof. Fritzsche. „Treffen diese auf Materie-Teilchen sind ganz andere Übergänge und Anregungszustände möglich“, so der theoretische Physiker, der eines der Jenaer Teilprojekte des Forschungsverbundes leitet. Doch diese Übergänge sind bislang nicht ausreichend charakterisiert und standardisiert, was die Jenaer Physiker und ihre Kooperationspartner nun vorantreiben wollen.

Präzise Energiestandards für Röntgen-Photonen sind nicht nur für die Grundlagenforschung wünschenswert. Auch in der Materialforschung, der Festkörperphysik oder bei hochauflösenden Bildgebungsverfahren lassen sich diese praktisch nutzen. Einen weiteren Anwendungsbereich sehen die Forscher in der Metrologie, der Lehre von Maßen und Maßsystemen. „Denn eine ganze Reihe von Standardmaßen basiert auf der Bestimmung elektronischer Übergänge in Atomen oder Ionen“, weiß Stöhlker und nennt als Beispiel die exakt laufenden Atomuhren. Deren „Taktgeber“ sind Elektronenübergänge in Cäsium-Atomen.

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Stöhlker
Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtz-Institut Jena
Fröbelstieg 3, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947600
E-Mail: t.stoehlker[at]gsi.de