Beugungsexperimente mit Molekülen

Mit unserem Experiment zur Beugung von Molekülen kann die quantenmechanische Wellennatur massiver, komplexer Moleküle nachgewiesen werden. Die wichtigsten Komponenten des Versuchsaufbaus sind die Quelle, die Beugungsstruktur und der Detektor.

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Die Quelle

Die Moleküle müssen zunächst zum Fliegen gebracht werden. Das geschieht in der Quelle mittels Laserverdampfung. Dazu wird ein Laserstrahl auf eine mit Molekülen beschichtete Glasplatte fokussiert (Brennfleck von ca. 1.5 µm). Dadurch erhitzen sich die Moleküle (z.B. Phthalocyanin), sodass sie verdampfen und mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s bis 200 m/s durch die Vakuumkammer zum Detektor fliegen. Die thermische Quelle schickt Teilchen in alle Richtungen. Für unser Experiment verwenden wir aber nur einen Strahl in einem Winkel von ca. 10 µrad, der durch feine Spalte präpariert wird.

Die Beugungsstruktur

Um nachzuweisen, dass auch ein einzelnes Moleküle quantenmechanisch delokalisiert sein kann, also seine Wellenfunktion auch an zwei getrennten Orten sein kann, benötigen wir eine Membran mit zwei (Doppelspalt) oder mehreren (Gitter) Spalten, die dann von dem Molekül durchflogen werden. Wenn es zwei oder mehr prinzipiell ununterscheidbare Möglichkeiten für das Molekül gibt zum Detektor zu gelangen und es beide Möglichkeiten sieht (also delokalisiert ist) erwarten wir eine charakteristisches Interferenzmuster (Streifenmuster) auf dem Detektorschirm.

Wir verwenden Gitter aus Siliziumnitrid, deren Spalte je nur 100 nm voneinander getrennt und nur 50 nm breit sind. Die Membran, in die diese Spalte geschrieben wurden, ist nur 10 nm dick. Diese Gitter wurden in der Gruppe von Prof. Ori Cheshnovsky in Tel Aviv mit fokussierten Ionenstrahlen geschnitten.

Der Detektor

Am Ende des Experiments treffen die Moleküle auf eine Glasplatte und bleiben dort haften. Mit einem roten Laserstrahl kann man sie zum Leuchten anregen (Fluoreszenz). Über ein Objektiv wird dieses Licht auf eine hochempfindliche CCD-Kamera abgebildet.
Moleküle sind viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Wenn zwei von ihnen nahe beieinander liegen können wir sie daher optisch nicht unterscheiden. Landen die Teilchen aber nacheinander oder liegt jedes von ihnen um mehr als 500 nm von allen anderen entfernt, so kann man den Ort jedes einzelnen Moleküls auf 10 nm (!) genau bestimmen, weil man den Mittelpunkt der Emission auch bei einem breiteren Lichtfleck sehr gut vermessen kann.

Gehe ins Labor und schau dir den experimentellen Aufbau aus der Nähe an.

Experimentieraufgabe: Überblick

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