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(00280) 25.09.2001 13:05

Posterpreis: Rätselhafter Ioneneffekt aufgeklärt


Bochum, 25.09.2001
Nr. 278

Posterpreis an Bochumer Plasmaphysiker
Ausgezeichnete Dokumentation eines Experiments
Rätselhafter Ioneneffekt aufgeklärt

Mit dem “Best Poster Award” ist eine Forschergruppe der
Bochumer Plasmaphysiker bei der 9th International Conference
on Ion Sources, die vom 2. bis zum 7. September 2001 in
Oakland, Kalifornien, stattfand, ausgezeichnet worden. Mit
ihrem Poster dokumentieren Dipl.-Phys. Ulrich T. Wolters,
Dr. Dirk Meyer, Dipl.-Phys. Achim Nadzeyka und Frau Dr. Yoko
Kawai (Experimentalphysik insbes. Gaselektronik, Prof. Dr.
Klaus Wiesemann) ihre Experimente, mit denen sie einen
rätselhaften Ioneneffekt aufklären konnten: Warum gibt es im
Plasma zweier verschieden schwerer, hoch geladener Isotope
desselben Elements plötzlich mehr Ionen des schwereren als
des leichteren Isotops? Die Forscher fanden heraus, dass
Wellen im Plasma dafür verantwortlich sind. Sie erhitzen
leichtere Isotopen stärker als schwerere, so dass sie sich
stärker bewegen und aus dem Plasma verschwinden.

Wie ein Ionenstrahl entsteht

Die Erzeugung von Teilchenstrahlen in Ionenquellen ist eine
wichtige Anwendung der Plasmaphysik. Üblicherweise sind
Ionenquellen Behälter, die mit Plasma gefüllt sind. Das
Plasma selbst ist ein Gas, in dem Teile der Atome ein oder
mehrere Elektronen abgegeben haben („Ionisation“). Das
zurückbleibende Atom schwirrt nun als positiv geladenes Ion
durch das Gas – ebenso wie das befreite Elektron, das
negativ geladen ist. Plasmen sind also Gase, in denen sich
neben ungeladenen Gasteilchen geladene Ionen und Elektronen
befinden. Geladene Teilchen lassen sich in einem
elektrischen Feld sehr einfach auf hohe Energien
beschleunigen, wenn man sie durch eine kleine Öffnung aus
dem Plasmagefäß geholt hat – so entsteht ein Ionenstrahl.

Rätselhafte Häufung schwerer Ionen

Als A. Drentje und Mitarbeiter am Kernfysisch Versneller
Instituut in Groningen (Niederlande) für ein
kernphysikalisches Experiment einen Strahl aus Ionen der
seltenen Sauerstoffisotope O17 und O18 einsetzten,
entdeckten sie einen merkwürdigen Effekt: Das Verhältnis der
Anteile von O17 und O18 im Strahl war sehr verschieden, je
nachdem wie hoch die Ionen geladen waren. Bei den einfach
geladenen Ionen (Atomen, denen nur ein Elektron fehlt)
entsprach das Verhältnis im Strahl dem Mischungsverhältnis
des Gases, in dem das Plasma erzeugt worden war. Bei höher
geladenen Ionen (Atome, denen mehrere Elektronen fehlen)
verschob sich das Verhältnis im Strahl immer mehr zu Gunsten
des schwereren Isotops O18. Die Isotope eines Elementes sind
jedoch chemisch völlig gleich. Auch die Wahrscheinlichkeit,
im Plasma Elektronen zu verlieren ist für Isotope eines
Elements vollkommen gleich. Lediglich die Masse der Isotope
unterscheidet sich geringfügig: Atome und Ionen des Isotops
O17 sind etwa 6% leichter als die Atome des O18, denn das
Verhältnis der atomaren Massen beträgt 17/18.

Das Destillationsmodell

Diesen Isotopeneffekt hat die Bochumer Arbeitsgruppe am
Beispiel der Stickstoffisotope N14 und N15 untersucht. Für
Experimente ist Stickstoff besser geeignet, da
isotopenreiner Stickstoff wesentlich billiger ist als der
entsprechende Sauerstoff. Schon bald nach der
Veröffentlichung der Ergebnisse aus den Niederlanden gab es
erste Erklärungsversuche für das Phänomen: Im Gas sind die
Gasteilchen – auch Ionen und Elektronen – in ständiger
Bewegung. Aufgrund dieser Wärmebewegung verlassen Ionen und
Elektronen ständig das Plasma und stoßen auf die Gefäßwand
(sie „diffundieren“ zur Wand). Dort vereinigen sie sich
wieder und verschwinden damit aus dem Plasma. Bei gleicher
Temperatur sind die schwereren Ionen etwas träger und
langsamer. Damit verlassen im Mittel etwas weniger O18-Ionen
das Plasma als O17-Ionen. Andersherum gesagt verbleiben die
O18-Ionen länger im Plasma und die Wahrscheinlichkeit
steigt, dass sie mehrere Elektronen verlieren. Das schwere
Isotop reichert sich infolgedessen besonders in hohen
Ladungszuständen an. Dieser Vorgang ähnelt einer
Destillation, bei der die leichter flüchtigen Bestandteile
einer Mischung schneller verdampfen als die schwer
flüchtigen.

... reicht zur Erklärung nicht aus

Die Bochumer Gruppe konnte anhand einer Rechnung jedoch
zeigen, dass dieser Effekt bei weitem nicht ausreicht um die
starken Unterschiede der Isotopenverhältnisse im Ionenstrahl
zu erklären. Experimentell gelang der Beweis, dass die
Anreicherung nicht auftritt, wenn das Gasgemisch des Plasmas
von vornherein sehr viel mehr Atome des schwereren Isotops
enthält. Auch dies lässt sich mit dem einfachen
„Destillationsmodell“ nicht erklären.

Leichtere Ionen verschwinden schneller

Stattdessen gehen sie davon aus, dass die Ionen des
leichteren Isotops im Gasgemisch eine etwas höhere
Temperatur besitzen als die Ionen des schweren Isotops,
wodurch sich der Effekt verstärkt. Dies ist eine weitere
Merkwürdigkeit, die man aus dem täglichen Leben nicht kennt.
In einem Gasgemisch (z. B. Luft als Gemisch aus Sauerstoff
und Stickstoff) haben alle Komponenten dieselbe Temperatur.
Im Plasma sind aber verschiedene Temperaturen der
Bestandteile möglich und die heißere Gaskomponente
diffundiert schneller als die kältere, weil die
Wärmebewegung schneller ist.

Wellen heizen Ionen auf

Die Bochumer Forscher konnten auch klären, warum in der
untersuchten Ionenquelle unterschiedliche Temperaturen
auftreten: Experimentell zeigte sich, dass im Plasma Wellen
angeregt werden, welche die leichten Ionen sehr viel stärker
heizen als die schweren. Dieser Effekt tritt nur auf, wenn
mehr leichte als schwere Ionen im Plasma sind. Entsprechende
Rechnungen zeigten, dass sich der Isotopeneffekt auf diese
Weise mit allen seinen Fassetten quantitativ erklären lässt.

Ionenstrahlen in der High-Tech-Industrie

Ionenstrahlen sind für viele Prozesse in der
Grundlagenforschung und der High-Tech-Industrie
unverzichtbar. Die Computerindustrie und die Nanotechnologie
benötigen zuverlässige und effiziente Verfahren zur
Implantierung und den Einbau einzelner Atome in
Trägermaterialien. Die Radiomedizin mit der Krebstherapie,
die kontrollierte Kernfusion als zukünftiger Energieträger
und die nächste Generation Raumschiffe werden verschiedenste
Arten von Teilchenstrahlen verwenden. In großen
Beschleunigern (z.B. CERN) wird die Struktur der Materie
durch Stoßexperimente zwischen den verschiedensten Atomen
entschlüsselt.

Weitere Informationen

Dipl.-Phys. Ulrich T. Wolters, Experimentalphysik insbes.
Gaselektronik, Fakultät für Physik der Ruhr-Universität
Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23695, Fax:
0234/32-14176, Email: ulrich.t.wolters@ruhr-uni-bochum.de

Bildunterzeile

Die erfolgreichen Plasmaphysiker: Dr. Dirk Meyer,
Dipl.-Phys. Ulrich Wolters, Prof. Dr. Klaus Wiesemann,
Dipl.-Phys. Achim Nadzeyka (v.l.)


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Mit freundlichen Gruessen

Dr. Josef Koenig
RUB - Ruhr-Universitaet Bochum
- Pressestelle -
44780 Bochum
Tel: + 49 234 32-22830, -23930
Fax: + 49 234 32-14136
Josef.Koenig@ruhr-uni-bochum.de

Schauen Sie doch bei uns mal rein:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/pressestelle

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