Beugung mit Fussbällen

Mit großer experimenteller Kunst ist es sogar möglich, Beugungsversuche mit Materiewellen aus den kleinsten Fußbällen der Welt durchzuführen. Der Arbeitsgruppe von Prof. Anton Zeilinger in Wien ist es gelungen, einen Atomstrahl aus Fullerenen zu erzeugen und diese an einem extrem feinen Gitter zu beugen.

Bei Fullerenen handelt es sich um Moleküle, die aus 60 (C60) oder 70 (C70) Kohlenstoffatomen bestehen. Das Molekül C60 hat eine Masse von 720 atomaren Einheiten und weist eine Struktur auf, die mit der eines Fußballs, bestehend aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken, identisch ist. Ein Molekülstrahl aus C60 wird in einem Ofen bei einer Temperatur von ca. 600 °C extrahiert, durch ein Doppelschlitzsystem kollimiert, dahinter auf ein Gitter gerichtet, an dem der Strahl gebeugt wird und schließlich mittels optischer Anregung der gestreuten "Bälle" indirekt nachgewiesen.

 

Aufbau des Experiments zu Beugungsversuchen mit Materiewellen aus C60-Fußbällen.


 

Der aus dem Ofen extrahierte Molekülstrahl hat eine mittlere Geschwindigkeit von ca. 210 m/s, was einer de Broglie Wellenlänge von nur 2,5 pm (pm = 10-12 m oder Milliardstel mm) entspricht. Für diese kurze Wellenlänge ist es natürlich sehr schwer ein entsprechendes feinstrukturiertes Gitter zu fertigen. Benutzt wird ein Gitter aus Siliziumnitrid, das im Abstand von 100 nm (nm = 10-9 m) Schlitze von 50 nm Breite aufweist. Die Abstände der Schlitze sind also 40.000 mal größer als die Wellenlänge des Molekülstrahls. Ein Beugungsmuster kann ähnlich wie mit Elektronen nachgewiesen werden. Bei diesem extremen Verhältnis von Wellenlänge zu Gitterabstand beträgt der Winkel zwischen dem Zentrum und dem 1. Beugungsmaximum nur  1,4*10-3 Grad, dass entspricht nur 0,03 mm bei einem Abstand von 1,25 m der Nachweisebene vom Gitter. Die Abbildung zeigt, dass das Beugungsmuster gut nachgewiesen werden kann, wie der Vergleich mit und ohne Gitter deutlich macht. Die Struktur des Beugungsmusters wird dabei durch eine relativ breite Geschwindigkeitsverteilung des Molekülstrahls und durch eine Beimischung von "unvollständigen" C60 Molekülen (z.B. C59), d.h. unterschiedliche Wellenlängen des Strahls, verwaschen. C60-Moleküle sind die schwersten Teilchen, mit denen jemals erfolgreiche Beugungsversuche unternommen wurden, und die de Broglie Materiewellen beobachtet wurden.