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Neue Methode zur Isotopentrennung
Eine praktische Anwendung eines Lehrbuch-Konzepts verbindet klassische- und Quantenphysik
REHOVOT, Israel - 23 Februar 1997 - Ein Wissenschaftler des Weizmann Institutes hat ein 70 Jahre altes Konzept der Quantenmechanik erfolgreich zur Trennung von Isotopen, d.h. verschiedenen Versionen des selben Elements, angewendet.
Die von Dr. Ilya Averbukh entwickelte Technik verspricht, die Tuer zu einer schnellen und effektiven Trennung von Isotopen zu oeffnen. Anwendung koennten sie in der chemischen und pharmazeutischen Industrie finden sowie in der Gentechnik, in wissenschaftlicher Forschung wie auch in medizinischer Diagnose, bei der radioaktive Isotope in den menschlichen Koerper eingebracht werden, um die Form und Funktion bestimmter Organe zu untersuchen.
Traditionelle mechanische Methoden zur Isotopentrennung wie beispielsweise Seperation durch Zentrifugen, sind relativ langsam und ineffizient. In den letzten 25 Jahren sind zwar hocheffektive Laser-Methoden entwickelt worden, deren Anwendung jedoch begrenzt ist, da praezise auf das jeweilige Isotop abstimmbare teure Laser benoetigt werden.
Die am Weizmann Institut entwickelte neue Methode, deren erste experimentelle Anwendung kuerzlich in Physical Review Letters publiziert und in Physics Today besprochen wurde, kombiniert die Vorteile der beiden oben genannten Prozesse, naemlich die Universalitaet der mechanischen Trennung und die Effektivitaet der Laser-Technik.
Die Methode gilt als "Wellenpaket Technologie", denn sie nutzt sogenannte Wellenpakete, ein Konzept der Quantentheorie zur Beschreibung von Zustaenden, in denen sich Elektronen, Atome oder Molekuele aufhalten. Dieses Konzept kann zur Isotopentrennung genutzt werden, da verschiedene Isotope durch das Bewegungsmuster ihrer Wellenpakete klar unterschieden werden koennen.
"Auch wenn Wellenpakete schon vor ueber 70 Jahern zur Zeit der Anfaenge der Quantentheorie beschrieben wurden und in allen Lehrbuechern der Physik erwaehnt sind, werden sie erst seit etwa zehn Jahren intensiv untersucht" sagt Averbukh. "Und jetzt kommt mit der neuen Methode zur Isotopentrennung die meines Wissens erste Anwendung dieses Konzepts."
Die fremdartige Welt der Quantenphysik Der Wellenpaket-Ansatz basiert auf einem Konzept der Quantentheorie, einer unanschaulichen, aber besten geprueften wissenschaftlichen Theorie. Diese Theorie macht beispielsweise die Aussage, dass der Ort eines Teilchen - oder sein Quantenzustand - ist nicht exakt vorhersagbar, sondern eine Frage der Wahrscheinlichkeit ist. So ist ein sich um den Atomkern bewegendes Elektron aus der Sicht der Quantentheorie eine relativ grosse "Wahrscheinlichkeitswolke" um den Atomkern im Gegensatz zum klassischen Verstaendnis des Elektrons als einem Teilchen, dass sich an einem klar bestimmbaren Ort befindet.
Um etwas "Vernunft" in diese verschwommene Realitaet einzufuehren, formulierte der oestereichische Physiker Erwin Schroedinger 1926 ein Konzept, um die Quantentheorie mit dem klassischen Model zu "versoehnen". Demnach koennen mehrere Quantenzustaende eines Teilchens - von denen jeder als Welle dargestellt werden kann - zu einem "Wellenpaket" kombiniert werden. Wenn sich die Wellen in diesem Paket zu einem einzigen Signal addieren, verhaelt sich das Teilchen fuer ein bestimmtes Zeitinterval wie ein klassisches Elektron, Atom oder Molekuel und gehorcht den Gesetzen der Newtonschen Mechanik.
Wie in der fremdartigen Welt der Quantenphysik kaum anders zu erwarten, verlieren Wellenpakete ihre Form, verteilen sich und verwischen mit der Zeit. Doch 1989 erweiterte Averbukh mit seinem Kollegen Dr. Naum Perelman (damals noch in der ehemaligen Sowietunion) das Schroedinger-Szenario. Dabei entdeckten sie, dass die Wellenpakete erstaunlicherweise wieder auftauchen, manchmal als mehrere kleinere identische "Wahrscheinlichkeitswolken". Jedes Isotop hat sein eigenes zyklisches Verhalten solcher "Quanten-Auferstehungen" und ihre Periodizitaet dient als eindeutiger "Personalausweis".
Jetzt hat Averbukh, der seit seiner Immigration nach Israel 1991 am Weizmann Institut arbeitet, einen Weg gefunden, um Isotope mittels ihrer "Auferstehungs-Identitaet" zu trennen. Dabei wird zuerst eine Isotopenmischung durch einen extrem kurzen Laserpuls angeregt, so dass Wellenpakete gebildet werden. Zu einem bestimmten Zeitpunkt, wenn die Wellenpakete der beiden Isotope erkennbar verschieden sind, wird nur eine Isotopensorte durch einen zweiten Laserstrahl ionisiert. Die ionisierten Isotope werden dann einfach durch ein elektrisches Feld aus der Mischung gezogen. Im Endeffekt stellt dieses Verfahren eine Isotopentrennmaschine dar, die auf atomarer Ebene arbeitet.
In der in Physical Review Letters, 77, 3518 (1996) veroeffentlichten Studie, durchgefuehrt von Averbukh und Wissenschaftlern des Steacie Institute for Molecular Sciences in Ottawa, Kanada, wird der Wellenpaket-Ansatz in einem Laser-Laboratorium erfolgreich zur Trennung zweier verschiedener Brom-Isotope angewendet. Dr. Marc J.J. Vrakking, Dr. D.M.Villeneuve und Dr. Albert Stolow bildeten das kanadische Team. Die Forscher glauben, dass die Wellenpaket-Technologie neben der Isotopentrennung auch zur Kontrolle chemischer Reaktionen und vielen weiteren Anwendungen dienen kann. Beispielsweise koennte sie bei der Entwicklung ultraschneller Schalter helfen - Schalter die pro Sekunde eine Billionen Schaltungen ausfuehren koennen. Das ist tausend mal schneller, als der schnellste weltweit existierende Schalter.
Yeda Research & Development Co., die Technologie-Transfer-Organisation des Weizmann Instituts, hat den Wellenpaket-Ansatz zur Isotopentrennung zum Patent angemeldet.
Presseanfragen richten Sie bitte an Luba Vikhanski, Tel. 972 8 934 3855 E-mail rrluba@weizmann.weizmann.ac.il
Criteria of this press release:
Mathematics, Physics / astronomy
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