Röntgenstrahlung und Neutronenstrahlung werden verwendet, um Struktur und Eigenschaften unterschiedlicher Materialien aufzuklären. Während Röntgenwellen besonders empfindlich auf die Elektronenhüllen der Atome reagieren, erfühlen die ungeladenen Neutronen die Eigenschaften der Atomkerne.

Rätselhafte Effekte...

Im Jahre 1703, so die Legende, beobachteten holländische Gelehrte einen Turmalinkristall, „welcher die Eigenschaft hätte/ dass er die Turff-Asche auf der heißen oder glühenden Turff-Kohle/ … wie ein Magnet das Eisen/ an sich ziehe…“ Der sogenannte pyroelektrische Effekt, eine neue Quelle statischer Elektrizität, war entdeckt; die richtige Deutung ließ allerdings fast zweihundert Jahre auf sich warten.

Mit kräftigen Schlägen hätten die Holländer dem Turmalin elektrische Funken entlocken können. Turmalin nämlich ist – wie Quarz – nicht nur pyroelektrisch sondern auch piezoelektrisch: Bei Deformation solcher Kristalle werden elektrische Ladungen frei. Wird, umgekehrt, an einen solchen Kristall eine elektrische Spannung angelegt, dann verformt er sich.

...und ihre atomaren Ursachen

Der piezoelektrische Effekt war eine der vielen Eigentümlichkeiten von Kristallen, die im 19. Jahrhundert entdeckt wurden. Deren Ursache schien in der inneren Struktur der Kristalle zu liegen: Forscher vermuteten, dass Kristalle aus einer regelmäßigen Anordnung von Atomen – einem so genannten Gitter – aufgebaut sind. Der unmittelbare Beweis dafür gelang jedoch erst 1912.

Die Beweistechnik lässt sich am Beispiel eines glitzernden Opals erklären. In einem solchen Edelstein sind mikrometerkleine Kügelchen aus wasserhaltigem Siliziumdioxid (aus dem auch Sand besteht) regelmäßig geschichtet – wie Orangen in einem Stapel. Trifft weißes Licht auf dieses Kugelgitter, so wird es in seine Spektralfarben aufgefächert („gebeugt“): Die unterschiedlichen Bestandteile des Lichts werden je nach Farbe, also Wellenlänge, in verschiedene Richtungen abgelenkt. Wenn das gestreute Licht wieder zusammentritt und sich die Wellenzüge der einzelnen Komponenten überlagern, leuchten manche Farbanteile stärker, manche schwächer – der Opal schillert. Aus diesem Farbmuster lässt sich im Prinzip die innere Grobstruktur des Opals rekonstruieren: die Lage der das Licht beugenden Kugelebenen sowie die Größe der Kugeln.

Die Wellenlänge von Röntgenstrahlen ist tausendfach kleiner als die von sichtbarem Licht und liegt damit im Bereich atomarer Dimensionen. Eine Regel besagt, dass nennenswerte Beugungserscheinungen nur dann auftreten, wenn beugende Struktur und Wellenlänge der Strahlung ähnlich groß sind. Sollte sich mit Röntgenlicht – 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt – die Atomgitterhypothese beweisen, die Feinstruktur von Kristallen entschlüsseln lassen, in Analogie zum Opal?

Viel mehr als das. 1912 traktierten zwei Studenten des Göttinger Physikprofessors Max von Laue auf dessen Anregung einen Kupfersulfatkristall mit Röntgenstrahlung: Auf einem Film erhielten sie eine Serie von Punktmustern, die als Beweis für die Existenz von Atomgittern gelten konnten. Ein Jahr später hatte der Brite Lawrence Bragg einen mathematischen Zusammenhang zwischen den Punktmustern und der Anordnung der Atome im Kristall hergestellt, so dass man fortan den atomaren Aufbau eines Kristalls anhand seines Beugungsmusters ermitteln konnte. Damit war die Kristallstrukturanalyse geboren und mit ihr eines der wichtigsten Instrumente der Festkörperphysik. Phänomene wie die Piezoelektrizität konnten jetzt atomar gedeutet werden.

So auch die materielle Basis des Lebens. Im April 1953 veröffentlichten James Watson und Francis Crick in der britischen Wissenschaftszeitschrift Nature die Struktur der Erbsubstanz DNS – das größte Geheimnis, das die belebte Natur zu bieten hat – gelüftet mit verfeinerten Mitteln der Kristallstrukturanalyse.

Synchrotron-Strahlung für komplexe Kristalle

In einem Atom umschwirren Elektronen den Kern wie Bienen ihren Stock. Viele Materialeigenschaften – ob fester, flüssiger oder gasförmiger Stoffe – werden durch die Gestalt der Elektronenwolke bestimmt: Sie entscheidet, ob ein Material metallisch, halbleitend oder isolierend ist. Da Röntgenwellen bevorzugt von Hüllenelektronen gestreut werden, liefert die Probenanalyse mit Röntgenstrahlung wichtige Informationen über Struktur und Eigenschaften des untersuchten Materials.

Wenn fast lichtschnelle, geladene Partikel in eine Kreisbahn gezwungen werden, entsteht Synchrotron-Strahlung, eine besondere Art der Röntgenstrahlung. Entlang einer Kreisbahn ändert sich beständig die Bewegungsrichtung der Ladung, die Ladung wird also beschleunigt. Beschleunigte Ladungen aber strahlen elektromagnetische Energie ab, unter den richtigen Gegebenheiten eben auch Röntgenstrahlung.

Die Strahlung eines Synchrotrons ist um Größenordnungen intensiver als die gewöhnlicher Röntgenquellen. Damit ausgestattet, wagen sich Forscher an die Aufklärung der Struktur komplexer Proteine (Eiweiße). Solche Biomoleküle sind keine starren Gebilde, sie reagieren auf ihre Umgebung und können dabei blitzschnell die Form ändern. Mit der Röntgenstrukturanalyse lassen sich selbst unterschiedliche Bewegungsstadien unter die Lupe nehmen. Eines der ehrgeizigsten Ziele: die Entschlüsselung der Ribosomen; jener Mikromaschinen im Inneren der Zellen, die mit Erbsubstanzschnipseln als Programm Proteine herstellen.

Neutronen für die Strukturanalyse

Auch Neutronen sind begehrte Detektive, ähnlich wie Röntgenstrahlen helfen sie der Festkörperwissenschaft, Materialstrukturen aufzuklären. Neutronen kommen in den meisten Atomkernen vor, als Quelle freier Neutronen dienen im Allgemeinen besondere Forschungsreaktoren. Wie alle sub-mikroskopischen Partikel zeigen auch Neutronen sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften. Dabei liegen die Wellenlängen im Bereich atomarer Distanzen. Während Röntgenwellen besonders empfindlich auf die Elektronenhüllen der Atome reagieren, sind die ungeladenen Neutronen subtiler, sie erfühlen Eigenschaften der Atomkerne. So sind die stabilen Isotope des Wasserstoffs – Hydrogenium und Deuterium – zwar chemisch identisch, für Neutronen aber sehr unterschiedlich. Dies lässt sich ausnutzen, um die genaue Gestalt eines geknäuelten Polymermoleküls in einer Schmelze aus gleichen Polymermolekülen zu bestimmen. Zunächst erscheint dies so aussichtslos wie der Versuch, den Weg einer Nudel in einer Portion Spaghetti zu verfolgen. Durch Beimischung einiger mit Deuterium markierter Moleküle wird dies mit Neutronen aber leicht möglich. Messbar sind auch Kräfte zwischen Atomen sowie elastische Eigenschaften molekularer Gebilde.

Neutronen sind außerdem kleine Magnetsonden: Sie spüren den Magnetismus auf atomarer Skala und erlauben einzigartige Einblicke in die mikroskopischen Eigenschaften magnetischer Materialien. Neben der Analyse mit Röntgen- oder Neutronen-Wellen ist mittlerweile eine Vielzahl weiterer „Spektroskopie-Methoden“ entwickelt worden, wie etwa die Elektronen- oder Helium-Beugung. All diese Verfahren ergänzen sich gegenseitig bei der Aufklärung der atomaren Struktur und der Dynamik der Dinge, die uns umgeben.