Ob sie es wissen oder nicht: jeder, der irgendwann mal ein Busticket nach der Erfassung durch eine Radarpistole bekommen hat, hat den Doppler-Effekt erfahren – eine messbare Verschiebung der Strahlungsfrequenz eines bewegten Objekts, das in diesem Fall das Auto ist, welches mit 70 km/h in einer 50km/h-Zone fährt.
Aber Wissenschaftler haben zum ersten Mal experimentell eine andere Version des Doppler-Effektes in einer sehr viel kleineren Größenordnung gezeigt – die Rotation eines einzelnen Moleküls. Davor wurde über einen solchen Effekt theoretisiert, aber es brauchte ein komplexes Experiment mit einem Synchrotron, um ihn zu beweisen. (Anm. d.Red.: Synchrotrone sind Teilchenbeschleuniger, in denen die Elementarteilchen sehr hohe kinetische Energien erhalten.)
„Vor einiger Zeit dachten ein paar von uns darüber, aber es ist experimentell sehr schwierig zu zeigen“, sagte T. Darrah Thomas, ein Professor Emeritus für Chemie an der Oregon State University in Corvallis und Teil eines internationalen Forschungsteams, das seine Ergebnisse heute (10.5.2011) in den Physical Review Letters, einem Fachmagazin, bekanntmachte.
Die meisten Beschreibungen für den Doppler-Effekt sind so genannte translationale Effekte, also eine Frequenzveränderung bei Licht oder Schall, wenn sich ein Objekt in gerader Linie von einem anderen entfernt, wie ein Auto, das an einer Radarpistole vorbeifährt. Das zugrunde liegende Konzept hat man verstanden, seit ein österreichischer Physiker namens Christian Doppler es 1842 erstmals aufstellte.
Aber Wissenschaftler sagen, dass ein vergleichbarer Effekt auch beobachtet werden kann, wenn etwas rotiert.
„Es gibt viele Beweise für den Doppler-Effekt bei großen rotierenden Objekten, wie einem rotierenden Planeten oder einer sich drehenden Galaxie“, sagte Thomas. „Wenn ein Planet rotiert, erhält das Licht von ihm reflektierte Licht auf seinen beiden Hälften jeweils eine andere Frequenz. Das Licht der auf uns zu drehenden Seite erhöht seine Frequenz und das Licht der von uns weg drehenden Seite verringert seine Frequenz. Aber dieselbe grundlegende Kraft ist sogar auf molekularer Ebene am Werk.“
In der Astrophysik wurde diese Art des Doppler-Effektes benutzt, um die Rotationsgeschwindigkeit von Objekten wie Planeten zu bestimmen. Aber in der neuen Studie liefern Wissenschaftler aus Japan, Schweden, Frankreich und den Vereinigten Staaten den ersten experimentellen Beweis, das dies sogar mit Molekülen geschieht. Die Studie zeigte, dass der Rotations-Doppler-Effekt auf dieser Ebene sogar wichtiger als die lineare Bewegung der Moleküle sein kann.
Man erwartet von den Ergebnissen ein besseres Verständnis der molekularen Spektroskopie, bei der die von Molekülen emittierte Strahlung benutzt wird, um ihren Aufbau und ihre chemischen Eigenschaften zu studieren. Thomas zufolge sind die Ergebnisse auch für die Untersuchung von hochenergetischen Elektronen relevant.
„Es gibt einige Studien, bei denen ein besseres Verständnis dieses Rotations-Doppler-Effektes wichtig sein wird“, sagte Thomas. „Hauptsächlich ist es einfach nur interessant. „Wir kennen den Doppler-Effekt seit einer sehr langen Zeit, aber bis jetzt waren wir nicht in der Lage, den Rotations-Doppler-Effekt bei Molekülen zu beobachten.“
(THK)
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