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F.A.Z. v. 12.1.2000

Wie Wasserstoffatome zerbrechen

Elementare Frage der Atomphysik gelöst / Modifikation der Schrödinger-Gleichung / Von Rainer Scharf

Geradezu unerschöpflich ist die Fülle von Vorgängen, die sich in den Elektronenhüllen der Atome abspielen. Dennoch werden sie alle mit ein und derselben Gleichung beschrieben, die Erwin Schrödinger 1926 veröffentlicht und als Erster für das einfachste Atom, das Wasserstoffatom, gelöst hat. Beim Heliumatom, dessen Hülle zwei Elektronen enthält, gelang die Lösung der Schrödinger-Gleichung indes erst Ende der fünfziger Jahre. Mit zunehmender Elektronenzahl werden die Berechnungen immer schwieriger. Doch selbst beim Wasserstoffatom gibt es noch offene Fragen. Denn was geschieht, wenn ein Elektron mit großer Geschwindigkeit auf ein Wasserstoffatom trifft und dieses ionisiert, ihm also sein Hüllenelektron entreißt? Den zahlreichen detaillierten experimentellen Ergebnissen standen bislang nur vergleichsweise ungenaue oder pauschale Resultate von Berechnungen gegenüber. Jetzt haben Thomas Nicola Rescigno und seine Mitarbeiter vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien diese letzte "elementare" Schwierigkeit der Atomphysik zumindest näherungsweise gelöst.

Wie zahlreiche Experimente gezeigt hatten, ist es nicht möglich, die Energien und die Flugrichtungen der Elektronen nach dem Zusammenstoß präzise vorherzusagen. Man kann nur Wahrscheinlichkeitswerte für eine große Zahl von Kollisionen angeben, die man nach Lösung der Schrödinger-Gleichung aus den Wellenfunktionen der Elektronen berechnet. Obwohl dafür Supercomputer zur Verfügung stehen, machten die dabei auftretenden Schwierigkeiten bislang hinreichend genaue Vorhersagen unmöglich. Nach der Ionisation können sich nämlich die beiden Elektronen weit vom Atomkern entfernen. Wollte man damit die theoretischen Ergebnisse mit den experimentellen vergleichen, müsste man eigentlich die Wellenfunktionen für ein unendlich ausgedehntes Raumgebiet berechnen. Das überschreitet aber selbst die Möglichkeiten heutiger Supercomputer.

Die Wissenschaftler um Rescigno wandten deshalb einen Kunstgriff an. Sie lösten eine modifizierte Schrödinger-Gleichung, bei welcher der Atomkern gewissermaßen von einer Kugel umgeben ist, die hundertmal so groß ist wie ein Wasserstoffatom ("Science", Bd. 286, S. 2474). Das Verfahren liefert innerhalb der Kugel die gesuchten Wellenfunktionen. Außerhalb der Kugel verschwinden die Funktionen dagegen rasch. Für dieses überschaubare Gebiet ist die Schrödinger-Gleichung mit einem Supercomputer lösbar - wenn auch mit enormem Rechenaufwand.

Die von den Forschern erzielten Ergebnisse stimmen hervorragend, mit den experimentellen überein. Sie erlauben Vorhersagen, die mit den bisherigen Rechenverfahren nicht möglich waren. So stellt es sich beispielsweise als äußerst unwahrscheinlich heraus, dass das heranfliegende Elektron vom Atomkern um 90 Grad abgelenkt wird und in die entgegengesetzte Richtung davonfliegt wie das Hüllenelektron.

Mit dem neuartigen Verfahren haben die Physiker nun ein Werkzeug in der Hand, mit dem sie neue, interessante Vorgänge in der Atomhülle aufspüren und dann experimentell bestätigen können. Auch die Ionisation von komplizierter aufgebauten Atomen wie Helium könnte mit dem neuen Verfahren genauer untersucht werden. 
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