Atome unter Beschuss - Max-Planck-Institut für Kernphysik

Ein Detektor mit atomarer Auflösung
– das „Reaktions-Mikroskop“
Zunächst werden einzelne Atome oder Moleküle in ihre Bestandteile
– Elektronen und Ionen – aufgespalten, indem
man sie mit schnellen Ionen, die von einem Beschleuniger
bereitgestellt werden, beschießt. Ziel ist es, die Impulse, also
die Geschwindigkeiten und die Flugrichtungen aller atomaren
Bruchstücke, zu bestimmen. Dazu werden die negativen
Elektronen und die positiven Ionen mithilfe eines elektrischen
Feldes in entgegen gesetzte Richtungen beschleunigt und
beim Aufschlag auf zwei Detektoren nachgewiesen. Dabei
hilft ein zusätzlich überlagertes Magnetfeld, alle Elektronen,
die wegen ihrer kleinen Masse relativ schnell sind, zu fangen
und auf einer Schraubenbahn zum Detektor zu führen. Es ist
dann möglich, aus den gemessenen Einschlagorten und den
Flugzeiten auf die Anfangsimpulse der Teilchen zu schließen.
Nach sehr vielen Wiederholungen dieser Messung erhält man
ein genaues Bild der Geschwindigkeits- und Richtungsverteilung
der atomaren oder molekularen Fragmente.
Ein Reaktions-Mikroskop in Aktion: Das Ion aus dem Projektilstrahl
(grün) zerstört ein Atom, das in ein Elektron (rot) und
den Atomrumpf (blau) zerfällt.
Bereits in zahlreichen Experimenten konnten wir durch den
Vergleich mit theoretischen Modellen den für viele Anwendungen
so wichtigen Prozess der Stoßionisation erforschen,
Stoßmechanismen identifizieren und die zugrunde liegende
Dynamik in atomaren Systemen analysieren. Derzeit sind Experimente
in Planung, bei denen die Atome vor dem Stoß mit
Laserstrahlen gekühlt werden sollen. Dadurch wird nicht nur
die Vielteilchen-Dynamik in atomaren Stößen mit bislang unerreichter
Auflösung beobachtbar, auch kann die Struktur der
hochgeladenen Projektil-Ionen, d.h. die Energie der in diesen
Ionen gebundenen Elektronen, genau vermessen werden.
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Atome unter
Beschuss
Von der Tumortherapie
mit schnellen Ionen
zu Ion-Atom-Stößen

Atome unter Beschuss
Von der Tumortherapie mit schnellen Ionen
zu Ion-Atom-Stößen
Von der Tumortherapie mit schnellen Ionen…
Beschießt man Gewebe mit schnellen Ionen – das sind
Atome, denen ein oder mehrere Elektronen fehlen – so
dringen sie tief in das Gewebe ein und zerstören am Ende
ihrer Flugbahn sehr effektiv biologisch aktive Moleküle.
Das ist die Grundlage der viel versprechenden Tumortherapie
mit schnellen Ionen, die von der Gesellschaft
für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt in Zusammenarbeit
u. a. mit dem Heidelberger Krebsforschungszentrum
(DKFZ) entwickelt wurde. Im Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum
(HIT), der weltweit ersten
Anlage dieser Art, sollen ab Herbst 2008 die ersten Patienten
mit dieser Methode behandelt werden.
…zu Ion-Atom Stößen
Was aber passiert auf mikroskopischer Ebene, wenn
hochenergetische, also schnelle, Ionen Gewebe durchdringen?
Dieser Frage gehen wir nach, indem wir Stöße
zwischen einzelnen Ionen und Atomen, den Bausteinen
der Materie, untersuchen. Ein entscheidender Reaktionskanal
ist dabei die so genannte Stoßionisation, bei
der anfänglich im Atom gebundene Elektronen durch den
Stoß heraus geschlagen werden. Dieser Elementarprozess
ist bisher allerdings nur unzureichend verstanden.
Offene Fragestellungen sind zum Beispiel: Wie schnell
und in welche Richtung fliegen die freigesetzten Elektronen
davon? Wie häufig werden zwei, drei oder mehr
Elektronen aus einem Atom heraus geschlagen? Welche
Rolle spielt dabei der Atomkern? Mit ausgeklügelten Experimenten
versuchen wir Antworten auf diese Fragen
zu finden.
Das „Vielteilchen-Problem“
Ähnlich wie die Planeten um die Sonne kreisen, bewegen
sich die Elektronen in einem Atom um den Kern, wobei alle
Teilchen durch die Coulomb-Kraft miteinander wechselwirken.
Dieses vereinfachte Bild ist zwar in letzter Konsequenz
nicht korrekt, dennoch stellt sich die Frage, wie sich die Elektronen
in einem Atom derart „absprechen“, dass das atomare
„Planetensystem“ stabil bleibt und sich die Elektronen nicht
gegenseitig ins „Gehege“ kommen. Mehr noch, und insbesondere
im Hinblick auf die Tumortherapie, interessiert uns die
Frage, was passiert, wenn dieses stabile System durch einen
Stoß mit einem Ion gestört wird.
Die Quantentheorie, die bereits in der ersten Hälfte des letzten
Jahrhunderts formuliert wurde, beschreibt die Bewegung
der atomaren Bausteine. Doch obwohl diese Theorie inzwischen
in zahlreichen Experimenten bestätigt wurde und die
Kraft zwischen den Elektronen und dem Atomkern sehr genau
bekannt ist, lässt sich lediglich für das einfachste Atom, nämlich
das Wasserstoffatom (bestehend aus einem Kern und nur
einem Elektron), eine exakte Lösung finden. Sobald mehr als
zwei Teilchen beteiligt sind – dies gilt im Übrigen nicht nur
für Atome, sondern auch für Sonnensysteme – muss man sich
entweder mit Näherungen begnügen, oder computergestützte,
rechenintensive numerische Verfahren anwenden. Um die
Gültigkeit dieser Näherungen zu prüfen, ist ein Vergleich mit
experimentellen Ergebnissen unverzichtbar.
Dynamik in Ion-Atom-Stößen
Im Gegensatz zur Bewegung der Planeten kann man die Elektronen
in einem Atom nicht direkt beobachten. Nur ein Trick
hilft hier weiter! Man beschießt einzelne Atome mit sehr
schnellen Ionen und selektiert solche Ereignisse, bei denen
ein oder mehrere Elektronen herausgeschlagen werden. Die
Energien und Richtungen der davonfliegenden Elektronen
(das experimentelle Ergebnis ist auf dem Titelbild dreidimensional
dargestellt) verraten dann etwas über deren Bewegung
vor dem Stoß, also im gebundenen atomaren Zustand. Bei
diesem atomaren Billardspiel kann man somit viel über die
Dynamik von so genannten Vielteilchen-Coulomb-Systemen
lernen. Fragen, die uns dabei besonders interessieren, sind
z. B., wie sich die Elektronen in einem Heliumatom gegenseitig
beeinflussen oder wie viel Energie auf welches der atomaren
Teilchen in einem Stoß übertragen wird.
In verschiedenen Messreihen verwenden wir Ionen mit sehr
unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Bei sehr langsamen
Stößen sind die im Atom gebundenen Elektronen viel schneller
als das Projektil-Ion; sie bewegen sich zwischen den beiden
Kernen wie in einem Molekül hin und her. In sehr schnellen
Stößen (in unseren Experimenten bis etwa 60% der Lichtgeschwindigkeit)
werden die im Atom gebundenen Elektronen
wie durch einen extrem kurzen (schneller als 1 Attosekunde
= 10 –18 s) und sehr intensiven Lichtpuls, der ca. 10 21 mal (das
ist eine Eins mit 21 Nullen) intensiver ist als das Sonnenlicht
aus dem Atom befreit. Mit einem hochpräzisen Detektorsystem,
das ähnlich wie ein Mikroskop die atomaren Kollisionen
beobachtet, werden die Richtungen und Energien der auslaufenden
Elektronen und Kerne registriert, und zwar für jeden
einzelnen Ion-Atom-Stoß.
Ein Reaktions-Mikroskop zur Untersuchung von Ion-Atom-
Stößen.