Enthüllung der Bildung von neutralem Schwefel in SF₆ unter Röntgenstrahlung

Eine internationale Zusammenarbeit, einschließlich Forschenden der Abteilung für Molekülphysik des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft, zeigt die Bildung von neutralen Schwefelatomen während des Zerfalls von Schwefelhexafluorid (SF₆) unter hochenergetischer Röntgenstrahlung. Diese Studie, die fortschrittliche Synchrotronstrahlungstechniken nutzt, bietet neue Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen von Röntgenstrahlen mit Materie, die für wissenschaftliche und technologische Fortschritte unerlässlich sind.

Wichtige Aspekte:

• Bildung von neutralem Schwefel: Die Studie zeigt, dass sich neutrale Schwefelatome während des Zerfalls von SF₆ unter hochenergetischer Röntgenstrahlung bilden.
• Fortschrittliche Techniken: Entwicklung fortschrittlicher Synchrotronstrahlungstechniken für diese Studie, bei der Moleküle harten Röntgenstrahlen ausgesetzt und weiche Röntgenemissionen aufgezeichnet wurden – eine herausfordernde Aufgabe aufgrund der unterschiedlichen Eindringtiefen von harten und weichen Röntgenstrahlen in Materialien.
• Historischer Kontext: Neuinterpretation einer spektralen Anomalie, die erstmals 1978 beobachtet wurde, durch moderne Technologie und Theorie.
• Wissenschaftliche und praktische Relevanz: Verbessert das Verständnis der Wechselwirkungen von Röntgenstrahlen mit breiten Anwendungen, einschließlich medizinischer Bildgebung und Materialwissenschaft.

Das Verständnis der Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie ist grundlegend für sowohl wissenschaftliche Forschung als auch praktische Anwendungen, einschließlich medizinischer und technologischer Fortschritte. Diese Wechselwirkungen beinhalten komplexe Prozesse wie Absorption, Ionisation, Streuung und den Zerfall angeregter Zustände, was zur Emission von Elektronen oder Photonen führt.

1978 entdeckten die Wissenschaftler Joseph Nordgren und Hans Ågren an der Universität Uppsala eine spektrale Anomalie in Schwefelhexafluorid (SF₆). Die Natur dieser Anomalie blieb über vier Jahrzehnte ein Rätsel.

Das Team untersuchte diese Anomalie erneut mit fortschrittlichen Synchrotronstrahlungstechniken, die speziell für diese Studie entwickelt wurden. Im Experiment wurden SF₆-Moleküle harten Röntgenstrahlen ausgesetzt, die die innerste Elektronenschale des Schwefels anregten und eine Kaskade elektronischer Zerfälle einleiteten, die zur vollständigen molekularen Dissoziation und Bildung neutraler Schwefelatome führte.

Das Team, geleitet vom nun emeritierten Professor Joseph Nordgren, Uppsala Universitet, Oksana Travnikova, CNRS, und Florian Trinter, FHI, nutzte Synchrotronstrahlung, um selektiv die weichen Röntgenemissionen von Zwischenzuständen zu untersuchen. Fortgeschrittene theoretische Berechnungen wurden ebenfalls eingesetzt, um die bei spezifischen Energien beobachteten weichen Röntgenemissionen zu interpretieren, die nicht auf Molekülfragmente (z.B. Schwefel gebunden an Fluoratome) oder geladene Schwefelzustände zurückgeführt werden konnten. Diese Berechnungen lieferten entscheidende Einblicke in die komplexe molekulare Reaktion auf die tiefe Innenschalenionisation von Schwefel in SF₆.

Es wurde festgestellt, dass trotz des Ausstoßes mehrerer Elektronen während der Zerfallskaskade neutrale Schwefelatome gebildet wurden. Diese Entdeckung ist überraschend und unerwartet angesichts der starken elektronenanziehenden Natur von Fluoratomen. Die Forschung hebt die komplexe Umverteilung der Elektronendichte während des Zerfallsprozesses hervor und unterstreicht die Leistungsfähigkeit moderner Röntgentechniken bei der Lösung langjähriger wissenschaftlicher Rätsel.

Diese Forschung löst nicht nur ein jahrzehntealtes Rätsel, sondern erweitert auch unser Verständnis der Molekulardynamik unter Röntgenstrahlung. Die Ergebnisse haben bedeutende Implikationen für sowohl wissenschaftliche Forschung als auch praktische Anwendungen und demonstrieren den bleibenden Wert von Beharrlichkeit und Innovation in der wissenschaftlichen Entdeckung.