Page - 5 - in Aufklärung der Struktur von Metallclusterionen in der Gasphase mittels Elektronenbeugung

5 2 Elektronenbeugung in der Gasphase (GED) Die 1673 von Christiaan Huygens postulierte Wellentheorie des Lichts20 als Gegenstück zur Newton’schen Korpuskeltheorie kann als Wegbereiter für zwei wichtige Entde- ckungen gelten, die für das Durchführen und Verstehen heutiger Elektronenbeugungs- experimente unentbehrlich sind. Diese knüpfen zum einen an den 1802 von Thomas Young durchgeführten Doppel- spaltversuch21 an, bei dem kohärentes Licht gebeugt wird. Der Prozess der konstrukti- ven und destruktiven, Licht auslöschenden Interferenz der Wellenfront führt hier ab- hängig vom Spaltmaß und der Wellenlänge des Lichts zu einem charakteristischen Beu- gungsmuster. Bei monochromatischem Licht besteht es aus hellen und dunklen Berei- chen. Zum anderen stützen sie sich auf den Beitrag von Louis-Victor de Broglie, dem 1924 ein weiterer Durchbruch gelang, indem er das Konzept des Welle-Teilchen- Dualismus auf alle bewegten Objekte mit Ruhemasse – wie auch Elektronen – erweiter- te und ihnen eine impulsabhängige Wellenlänge zuschreibt.22 Experimentell untermau- ert wurde die Theorie der „Materiewellen“ 1927 durch das Davisson-Germer- Experiment23, das die Bragg’schen Vorhersagen für Beugung von Röntgenstrahlen an einem Nickelkristall erstmals auch für Elektronen zeigte. Sie verhalten sich unter be- stimmten Bedingungen demzufolge entsprechend wie elektromagnetische Strahlung. Der Potenzialgradient des elektrischen Feldes jedes Atoms im Nickelkristall verursacht die Ablenkung der Elektronenflugbahnen. In Analogie zum Young’schen Doppelspalt- versuch wirkt das Atom hier wie ein Spalt und die Elektronen wie ein Lichtstrahl. Die Beugung an Atom-Paaren führt in gleicher Weise zu Interferenzmustern. Die ersten Beugungsexperimente in der Gasphase zur Strukturaufklärung erfolgten mit Röntgenstrahlen an kleinen Molekülen (z.B. CCl4, GeCl4, C6H6) durch Peter Debye 192924. Ein Jahr später wiederholten Herman F. Marks und R. Wierl das Experiment25 unter Verwendung von Elektronenstrahlen in beeindruckender Kürze. Im Ergebnis zeig- te sich: Wofür Debye eine Datenakkumulationszeit von circa zehn Stunden benötigte, reichten Marks & Wierl wenige Sekunden. Der Wirkungsquerschnitt der Elektronen- beugung bei einer kinetischen Energie von 40 keV liegt um vier bis sechs Größenord- nungen über dem der Röntgenstrahlung, was ursächlich dem Umstand geschuldet ist, dass die Elektronenbeugung am gesamten elektrostatischen Potenzial des Atoms statt- findet, wohingegen die Röntgenbeugung lediglich an der Elektronendichte erfolgt.