Die Quelle

Wie formt man einen Molekülstrahl?

PhthalocyanineDie Moleküle liegen häufig als Pulver vor. Dabei sind Neutronen mit Protonen und Elektronen zu Atomen vereint, diese verbunden zu verschiedenen großen Molekülen. Um deren Welleneigenschaften zu untersuchen, benötigen wir einen Strahl aus einzelnen Objekten. Sie sollen zudem elektrisch neutral sein, um nicht durch unkontrollierte elektrische Felder abgelenkt zu werden.

Phasenübergänge

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Um einen solchen Strahl zu erzeugen, erhitzen wir die Moleküle in einem speziellen Ofen (Knudsen-Zelle) in der Vakuumkammer. Dort gehen sie durch Sublimation oder Verdampfung in die Gasphase über und fliegen aus einer schmalen Öffnung durch das Experiment. Dieser Ofen besteht aus einem Keramikbehälter, der von einem Heizdraht umwickelt ist. Wenn man elektrischen Strom durch den Draht leitet, wird der Behälter erhitzt.

Um den Ofen möglichst rasch und effektiv heizen zu können, sollten Wärmeverluste minimiert werden.

Übertragung von Wärme

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source_heat_DEDer niedrige Druck in der Vakuumkammer verhindert den Wärmeverlust durch Konvektion. Durch die schmale Aufhängung des Ofens wird auch die Wärmeleitung minimiert. Der größte Verlust entsteht durch Wärmestrahlung. Um diese zu reduzieren, ist der Ofen mit einem Blech aus Tantal umgeben, das einen großen Teil der Wärmestrahlung reflektiert.

Damit ein ausreichend intensiver Molekularstrahl erzielt werden kann, muss der Dampfdruck im Ofen hoch genug sein. Jede Molekülart benötigt dazu unterschiedliche Temperaturen. C-60-Fullerene werden in der Praxis auf 600°C – 700°C geheizt, Carotine nur auf 200°C – 240°C.

Mit der Temperatur steigt nicht nur der Dampfdruck, sondern auch die Geschwindigkeiten der Teilchen. Die Geschwindigkeiten lassen sich recht gut mit einer Maxwell-Boltzmann-Verteilung beschreiben.

Extra: Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung

Betrachte nun die Temperatur und die Masse. Welchen Einfluss haben sie auf die Geschwindigkeit der Moleküle?

Masse \(m\) - +
Temperatur \(T\) - +

Du kannst das auch mit dieser Simulation studieren: Du kannst die Temperatur ändern und den Einfluss auf die Geschwindigkeit beobachten.


Maxwell-Boltzmann Verteilung

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Die Moleküle werden durch den Ofenspalt in viele verschiedene Richtungen und mit verschiedenen Geschwindigkeiten emittiert. Was das zur Folge hat, erfährst du in den Kapiteln über Kohärenz und Geschwindigkeitsselektion.

Extra: Abstrahlcharakteristik des Ofens

Experimentieraufgabe: Tutorial

Gehe ins Labor und folge den Anweisungen. Wenn du fertig bist, setze hier fort.