Ein Nobelpreis für 0,000000000000000001 Sekunden
Pierre Agostini ist ein französisch-amerikanischer Physiker, der einer der Empfänger des Nobelpreises für Physik 2023 ist. Er erhielt den Preis zusammen mit Ferenc Krausz und Anne L’Huillier für ihre experimentellen Methoden zur Erzeugung von Attosekunden-Lichtimpulsen für die Untersuchung der Elektronendynamik in Materie. Eine Attosekunde ist eine Milliardstel einer Milliardstel Sekunde oder 10^-18 Sekunde. Mit Attosekunden-Lichtimpulsen können die Forscher die Bewegung von Elektronen in Atomen und Molekülen verfolgen und neue Einblicke in die mikroskopischen Prozesse gewinnen, die chemische Reaktionen, Materialeigenschaften oder biologische Funktionen bestimmen.
Pierre Agostini ist emeritierter Professor an der Ohio State University in den USA. Er promovierte 1968 in Physik an der Universität Aix-Marseille in Frankreich. Er hat zur Entwicklung von Techniken zur Erzeugung von Attosekunden-Lichtimpulsen beigetragen und diese zur Untersuchung von Phänomenen wie der Ionisation, dem Tunneln oder dem Zittern von Elektronen in starken Laserfeldern eingesetzt. Er hat auch die Wechselwirkung zwischen Attosekunden-Lichtimpulsen und Materie erforscht, insbesondere die Messung der Phasenverschiebung zwischen verschiedenen harmonischen Komponenten des Lichts. Diese Phasenverschiebung ist ein wichtiger Parameter für die Charakterisierung und Kontrolle von Attosekunden-Lichtimpulsen.
Pierre Agostini ist ein anerkannter Wissenschaftler, der zahlreiche Auszeichnungen und Ehrungen erhalten hat, wie zum Beispiel den Prix Aimé Cotton der Französischen Physikalischen Gesellschaft im Jahr 2000 oder den Prix Jean Ricard der Französischen Akademie der Wissenschaften im Jahr 2010. Er ist auch Mitglied mehrerer wissenschaftlicher Gesellschaften und Gremien, wie zum Beispiel der International Union of Pure and Applied Physics oder des Scientific Council of the European Research Council. Er hat mehr als 200 wissenschaftliche Publikationen verfasst oder mitverfasst, die in renommierten Fachzeitschriften erschienen sind
2.
Das Elektron
Die Geschwindigkeit von Elektronen hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel dem Material, in dem sie sich bewegen, dem elektrischen Feld, das auf sie wirkt, oder der Temperatur. Im Allgemeinen sind Elektronen sehr viel schneller als Atome, da sie eine viel kleinere Masse haben. Hier sind einige Beispiele für die Geschwindigkeit von Elektronen in verschiedenen Situationen:
In einem Atom bewegen sich Elektronen nach dem Bohr’schen Modell mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Hundertstel der Lichtgeschwindigkeit (300 000 km/s). Das heißt, ein Elektron im Wasserstoffatom hat eine Geschwindigkeit von etwa 2200 km/s1.
Ein Elektron hat einen Durchmesser von 10−19 m. . Das heisst also 0,0000000000000000001 m. Wie oft also umkreist ein Elektron in einer Sekunde den Atomkern.?
In einem metallischen Leiter, wie zum Beispiel einem Kupferdraht, bewegen sich Elektronen durch die Anziehungskraft des elektrischen Feldes. Die Geschwindigkeit, mit der sie sich durch den Draht bewegen, nennt man Driftgeschwindigkeit. Diese ist sehr viel kleiner als die Geschwindigkeit in einem Atom, da die Elektronen ständig mit den Atomrümpfen kollidieren und abgelenkt werden. Die Driftgeschwindigkeit hängt von der Stromstärke und dem Querschnitt des Leiters ab. Zum Beispiel hat ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Stromstärke von 1 A eine Driftgeschwindigkeit von etwa 0,0001 m/s2. Das bedeutet, dass ein Elektron etwa 169 Jahre braucht, um eine Strecke von 535 km zurückzulegen2.
In einem Teilchenbeschleuniger werden Elektronen durch starke elektrische und magnetische Felder beschleunigt. Dabei können sie sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen, die fast der Lichtgeschwindigkeit entsprechen. Zum Beispiel können Elektronen im Large Electron-Positron Collider (LEP) am CERN eine Geschwindigkeit von etwa 99,9999999 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen3. Das heißt, ein Elektron im LEP hat eine Geschwindigkeit von etwa 299 999 km/s3.
3.
Pierre Agostini hat für die Beobachtung von Elektronen ein Gerät benutzt, das auf dem Prinzip der Hochharmonischen Erzeugung (HHG) basiert1. Dabei wird ein intensiver Laserpuls auf ein Gas gerichtet, das die Elektronen aus den Atomen herausreißt. Die Elektronen werden dann vom Laserfeld beschleunigt und wieder zurück zu den Atomen gelenkt. Bei der Rekombination mit den Atomen geben die Elektronen Energie in Form von ultrakurzen Lichtblitzen ab, die eine hohe Harmonische der Laserfrequenz haben. Diese Lichtblitze können eine Dauer von wenigen Attosekunden haben und ermöglichen es, die Bewegung von Elektronen in Atomen und Molekülen zu verfolgen12.
Das Gerät, das Agostini und seine Kollegen verwendet haben, besteht aus einer Vakuumkammer, in der ein Gasstrahl (zum Beispiel Argon oder Neon) mit einem Laserpuls kollidiert. Der Laserpuls hat eine Wellenlänge von etwa 800 Nanometern und eine Dauer von etwa 30 Femtosekunden. Der Gasstrahl wird durch eine Düse in die Kammer eingespritzt und hat einen Durchmesser von etwa 100 Mikrometern. Der Laserpuls wird durch einen Spiegel in die Kammer gelenkt und fokussiert, so dass er eine hohe Intensität von etwa 10^14 Watt pro Quadratzentimeter erreicht. Die HHG-Strahlung wird durch einen Filter aus einem dünnen Metallfilm (zum Beispiel Aluminium oder Zirkonium) von dem Laserpuls getrennt und auf einen Detektor gelenkt. Der Detektor kann ein Spektrometer sein, das die Frequenzverteilung der HHG-Strahlung misst, oder eine Kamera, die das räumliche Profil der HHG-Strahlung ab
4. Astronews
Die Astrophysik ist ein spannendes und dynamisches Forschungsgebiet, das ständig neue Erkenntnisse und Entdeckungen hervorbringt. Hier sind einige Neuigkeiten aus der Astrophysik, die Sie vielleicht interessieren:
Das Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) hat eine Reihe von neuen Simulationen entwickelt, um zu verstehen, wie verschiedene Arten von Energie- und Massenzufuhr durch Sterne die ersten Galaxien beeinflussen. Die Simulationen zeigen, dass kleine Unterschiede im stellaren Feedback zu großen Veränderungen in der Morphologie von Galaxien und der Geschwindigkeit, mit der sie das Universum ionisieren, führen. Dies könnte helfen, die Epoche der Reionisation zu erklären, in der das kalte, neutrale Universum heiß und ionisiert wurde1.
Das James-Webb-Teleskop, das im Dezember 2021 gestartet wurde, hat weitere spektakuläre Aufnahmen aus dem Weltraum geliefert. Eine davon zeigt die beeindruckenden “Säulen der Schöpfung”, die riesige Gas- und Staubwolken sind, in denen neue Sterne entstehen. Die Aufnahmen wurden mit einem Infrarot-Instrument gemacht, das durch den Staub hindurchsehen kann2.
Astronomen haben eine neue Gruppe von Planeten bei Roten Zwergsternen entdeckt. Rote Zwerge sind die häufigsten Sterne in unserer Galaxie, aber ihre Planeten sind schwer zu finden, weil sie sehr klein und lichtschwach sind. Die neue Gruppe von Planeten ist jedoch größer als die Erde und hat eine moderate Temperatur, die Leben ermöglichen könnte. Die Entdeckung könnte die Suche nach Leben im All beeinflussen.
Ein internationales Team von Astrophysikern unter der Leitung des MPA hat neu bewertet, wie Thorne-Żytkow-Objekte (TŻOs) aussehen und ob wir sie finden können. TŻOs sind Sterne mit Neutronensternkernen, die entstehen können, wenn ein Neutronenstern in einen anderen Stern fällt. Diese Sterne sind sehr selten und schwer zu beobachten, aber sie könnten einzigartige Eigenschaften haben, wie zum Beispiel eine ungewöhnliche chemische Zusammensetzung oder eine starke Magnetfelderzeugung.
5. Wissen
Ja, das Wissen über die Attosekunden-Impulse von Licht kann auch zur Verbesserung der Bildgebung in der Medizin beitragen. Zum Beispiel können Attosekunden-Lichtimpulse verwendet werden, um die Struktur und Funktion von Biomolekülen wie Proteinen oder DNA zu untersuchen, die für viele biologische und medizinische Prozesse wichtig sind. Mit Attosekunden-Lichtimpulsen kann man die Bewegung und Wechselwirkung von Elektronen in diesen Molekülen verfolgen, die ihre chemischen Eigenschaften und Reaktionen bestimmen. Das kann helfen, die molekularen Mechanismen von Krankheiten oder Medikamenten besser zu verstehen und zu beeinflussen12.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Diagnose und Therapie von Krebs. Attosekunden-Lichtimpulse können genutzt werden, um gezielt Krebszellen zu zerstören, indem man ihre DNA schädigt oder ihre Elektronen anregt. Dabei wird gesundes Gewebe geschont, da die Attosekunden-Lichtimpulse sehr präzise gesteuert werden können. Außerdem können Attosekunden-Lichtimpulse verwendet werden, um hochauflösende Bilder von Tumoren oder Blutgefäßen zu erzeugen, die eine frühzeitige Erkennung und Behandlung von Krebs ermöglichen.
Auch im Bereich der Astronomie kann man nun alle Bilder anders darstellen . Messungen sind um Attosekunden genauer.
c by Johannes Schütte und Bing KI GPT 4.
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c by Johannes Schütte und KI Bing 4 GPT 4
Es ist schon beeindruckend. Da kann man durch Argongas und auch durch Laserstrahlen Elekronen aus dem Atom heben, die dann schnell in einer Attosekunde das Gas durcheilen und dann wieder zurückkehren.
Dadurch entstehen Lichtblitze durch Wechselwirkung der Materie mit den Elektronen erzeugen.
Und alles wird dann auch noch gemessen und fotographisch festgehalten für biologische Prozesse u.a. Chemie .
Pierre Agostinis wird es ermögliche präsise Abläufe des Atoms, vor allen der Elekronen um eine Attosekunde genau zu verfolgen. Dabei kann dies von Nutzen in der Chemie, Medizin und Forschung sein. Die Gesamtdarstellung der Vorgänge im Inneren des Atoms wird plastisch dargestellt in Bild und Video. Auch neue Erkenntnisse vom Aufbau der Materie wird es geben können. Und somit unser Leben und die Erforschung des Universums neue Impulse geben.
Ein Nobelpreis für 0,000000000000000001 Sekunden
Das reicht aus, um neue Erkenntnisse im Bereich der Atomphysik, der Medizin, Chemie und Materienaufbau zu generieren.
Johannes Schütte