Wie Atome vor dem Zerfall umherwandern

Einem internationalen Forschungsteam unter Beteiligung der Abteilung Molekülphysik am Fritz-Haber-Institut ist es gelungen, die atomare Neuanordnung unmittelbar vor einem durch Röntgenstrahlung ausgelösten Zerfallsprozess präzise zu beobachten. In diesem Übergangsmoment setzen die Atome energiearme Elektronen frei. Durch diese Beobachtungen konnte das Team erstmals detaillierte Einblicke in den exakten zeitlichen Ablauf des Zerfalls gewinnen, was wiederum grundlegend neue Erkenntnisse darüber liefert, wie Strahlenschäden auf molekularer Ebene entstehen.

Durch Strahlung ausgelöste Zerfallsprozesse

Energiereiche Strahlung, wie etwa Röntgenstrahlung, stellt eine Gefahr für unsere Zellen dar, da sie Atome und Moleküle anregen und deren Zerfall auslösen kann. Dies führt oft zur Zerstörung von Biomolekülen oder zum Funktionsverlust ganzer biologischer Einheiten. Um solche Strahlenschäden besser zu verstehen und künftig abwenden zu können, widmete sich ein internationales Team um die Abteilung Molekülphysik einem zentralen Mechanismus der Radiochemie: dem durch Elektronentransfer vermittelten Zerfall (electron-transfer-mediated decay, kurz ETMD).

Bei diesem Prozess wird ein Atom zunächst durch Strahlung angeregt. Um wieder in einen stabilen Zustand zu gelangen, entzieht es einem benachbarten Atom ein Elektron, wobei die freiwerdende Energie ein weiteres Atom in der Umgebung ionisiert. Den Forschenden gelang es nun, in einem Modellsystem direkt und in Echtzeit zu verfolgen, wie sich die Atome bewegen und neu anordnen, noch bevor dieser spezifische Zerfall eintritt. Diese Arbeit liefert das bisher detaillierteste Bild des ETMD-Prozesses und gewährt tiefe Einblicke in die frühesten Phasen biologischer Schädigungsprozesse

Eine ausgefeilte Kombination aus Experiment und Theorie

Für ihre Untersuchungen wählte das internationale Forschungsteam ein prototypisches System aus einem Neonatom, das lose an zwei Kryptonatome gebunden ist, ein sogenanntes NeKr2​-Trimer. Nachdem das Neonatom durch weiche Röntgenstrahlung ionisiert worden war, beobachteten die Forschenden das System über einen Zeitraum von bis zu einer Pikosekunde – eine Zeitspanne, die auf atomarer Ebene einer Ewigkeit entspricht – bis es schließlich unter Aussendung eines energiearmen Elektrons zerfiel.

Die präzisen Messungen fanden an den Synchrotrons BESSY II in Berlin und PETRA III in Hamburg statt. Mithilfe eines hochmodernen COLTRIMS-Reaktionsmikroskops gelang es dem Team, die exakte Molekülgeometrie genau in dem Moment zu rekonstruieren, in dem der Zerfall ausgelöst wurde. Um diese komplexen Daten zu interpretieren, wurden begleitend quantenmechanische Simulationen durchgeführt. Dabei verfolgten die Wissenschaftler tausende von Kernbahnen und bewerteten die jeweilige Zerfallswahrscheinlichkeit entlang jeder einzelnen Bahn, um den Prozess in seiner Gesamtheit zu verstehen.

Ein Film des nicht-lokalen elektronischen Zerfalls

Die Entdeckungen des Teams waren verblüffend: Die Atome verharren keineswegs in ihrer ursprünglichen Konfiguration, sondern vollführen eine ausgeprägte Kreiselbewegung. Diese kontinuierliche Veränderung der Molekülgeometrie beeinflusst massiv, wann und wie der Zerfall erfolgt. „Wir können buchstäblich beobachten, wie sich die Atome vor dem Zerfall bewegen“, sagt Florian Trinter. „Der Zerfall ist nicht nur ein elektronischer Prozess – er wird auf sehr direkte und intuitive Weise durch die Kernbewegungen gesteuert.“

Die Ergebnisse belegen, dass ETMD nicht an eine einzige bevorzugte Struktur gebunden ist. Stattdessen durchläuft das System verschiedene Geometrien: Findet der Zerfall früh statt, entspricht die Struktur noch dem Grundzustand. Später nähert sich ein Kryptonatom dem Neonatom stark an, während das zweite auf Distanz geht – eine ideale Konstellation für den Energietransfer über größere Entfernungen. Zu noch späteren Zeitpunkten nimmt das System lineare, verzerrte Formen an, die eine pendelartige Wanderbewegung der Atome widerspiegeln. Diese dynamische Umformung führt dazu, dass die Zerfallsraten je nach Geometrie um fast eine Größenordnung variieren.

„Die Atome durchlaufen große Bereiche des Konfigurationsraums, bevor der Zerfall schließlich stattfindet“, erklärt Till Jahnke. „Dies zeigt, dass die Kernbewegung keine geringfügige Korrektur ist – sie steuert grundlegend die Effizienz des nicht-lokalen elektronischen Zerfalls.“

Warum diese Erkenntnisse wichtig sind

Der Prozess des ETMD rückt zunehmend in den Fokus der Wissenschaft, da er hocheffizient energiearme Elektronen erzeugt, die für Schäden in Flüssigkeiten und biologischem Gewebe verantwortlich sind. Zu verstehen, wie dieser Zerfall von der Molekülstruktur und der Atombewegung abhängt, ist daher eine Grundvoraussetzung, um Strahlenschäden in Wasser oder biomolekularen Umgebungen präzise zu modellieren und Experimente mit Ultrakurzwellen-Röntgenstrahlen korrekt zu interpretieren. Zudem helfen diese Erkenntnisse dabei, theoretische Ansätze zu entwickeln, mit denen sich Zerfallsraten auch in großen, komplexen Systemen genau berechnen lassen.

Mit der detaillierten Beschreibung des kleinstmöglichen Systems aus drei Atomen, in dem ETMD stattfinden kann, setzt die Studie einen neuen Maßstab. Sie bildet das Fundament, um diesen Forschungsansatz künftig auf Flüssigkeiten, gelöste Ionen und komplexe biologische Strukturen auszuweiten.

„Diese Arbeit zeigt, wie nicht-lokaler elektronischer Zerfall als leistungsstarkes Instrument zur Untersuchung molekularer Bewegungen eingesetzt werden kann“, schlussfolgern die Autoren. „Sie eröffnet neue Möglichkeiten für die Darstellung ultraschneller Dynamik in schwach gebundener Materie mit bisher unerreichter Detailgenauigkeit.“

Quelle

Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (01/2026)