Selbst ein einziges Gasmolekül kann einen ausreichend starken Stoß ausüben, um erkannt zu werden. Forschern ist es nun gelungen, ihn zu messen.
Um uns herum bewegen sich die Moleküle der Luft unaufhörlich. Sie stoßen gegen Wände, Gegenstände und unsere Haut. Diese unzähligen Stöße erzeugen unter anderem den Luftdruck. Doch jede einzelne Kollision ist so schwach, dass sie nur sehr schwer von anderen Effekten zu unterscheiden ist.
Molekularmodell von Schwefelhexafluorid mit der Formel SF₆: ein Schwefelatom, das von sechs Fluoratomen umgeben ist. Dieses Gas gehört zu den drei Substanzen, die im Experiment zu den einzelnen Kollisionen getestet wurden.
Foto: Ljeto, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons.
Ein Team der Yale University in den Vereinigten Staaten hat einen Weg gefunden, einige dieser winzigen Einschläge zu beobachten. Die Forschenden verwendeten eine Kugel aus Siliziumdioxid, einem glasähnlichen Material, mit einem Durchmesser von nur 100 Nanometern. Sie ist mehr als tausendmal kleiner als die Dicke eines Haares.
Damit sie nichts berührt, hielten sie sie mithilfe des Lichts eines Lasers in einer Kammer schwebend, aus der fast die gesamte Luft entfernt worden war. Anschließend fügten sie in sehr kleinen Mengen drei verschiedene Gase hinzu: Krypton, Xenon und Schwefelhexafluorid.
Bei jeder Kollision konnte ein Atom oder Molekül der Kugel einen Impuls geben und dadurch eine winzige Bewegung auslösen. Mit dem Laser ließ sich diese Bewegung verfolgen. So entdeckten die Forschenden Stöße, die von Teilchen verursacht wurden, die etwa zehn Millionen Mal leichter waren als ihr Sensor.
Am schwierigsten war es, diese Stöße von allen anderen kleinen Schwingungen des Geräts zu unterscheiden. Das Team verglich die Signale mit denen, die ohne Zugabe von Gas aufgezeichnet worden waren, und anschließend mit den Ergebnissen, die aufgrund der Berechnungen erwartet wurden. Die Messungen stimmten gut mit der erwarteten Häufigkeit und Stärke der Kollisionen überein.
Die Forschenden haben damit gezeigt, dass sich einzelne Kollisionen unterscheiden lassen, während Messgeräte normalerweise nur ihre zusammengefasste Wirkung erfassen.
Wozu könnte das dienen? Indem man diese Einschläge zählt, könnte man extrem niedrige Drücke messen, wie sie in Systemen vorkommen, in denen nahezu vollständiges Vakuum erzeugt wird.
Mit noch empfindlicheren Sensoren könnte diese Methode auch dabei helfen, sehr schwache Kräfte und bestimmte Experimente der Grundlagenphysik zu untersuchen. Vorerst liegt die Bedeutung des Erfolgs in der Größenordnung dessen, was die Forschenden messen konnten: den Stoß eines einzigen Gasteilchens.