Fortgeschritten #41

Die mittlere kinetische Energie der Wasserstoffatome nimmt bei niedrigen Temperaturen zu

Entgegen der Erwartung steigt die kinetische Energie der Protonen bei sinkender Temperatur.

Wissenschaftliche Erklärung

Klassisch gilt: Je kälter ein System, desto weniger kinetische Energie haben seine Teilchen. Messungen mit tief-inelastischer Neutronenstreuung (DINS) an Wasser und Eis haben jedoch ein überraschendes Ergebnis geliefert: Die mittlere kinetische Energie der Wasserstoffatome scheint bei Temperaturen unterhalb von etwa 270 Kelvin zuzunehmen, anstatt weiter abzunehmen. Dieses Verhalten widerspricht der klassischen Erwartung fundamental.

Die vorgeschlagene Erklärung beruht auf Quanteneffekten. In Wasser und Eis befinden sich die Protonen in einem durch Wasserstoffbrücken erzeugten Potentialtopf. Bei sinkender Temperatur werden die Wasserstoffbrücken stärker und das Potential, in dem das Proton sitzt, verengt sich. Ein engerer Potentialtopf erhöt gemäss der quantenmechanischen Unschärferelation die Impulsunschärfe und damit die kinetische Energie des Protons. Der Effekt ähnelt dem Einschliessen eines Teilchens in eine kleinere Box: Je enger die Box, desto grösser die Nullpunktbewegung.

Wichtiger Vorbehalt: Dieses Ergebnis ist in der wissenschaftlichen Gemeinschaft umstritten. Die DINS-Messungen sind technisch anspruchsvoll, und verschiedene Gruppen haben unterschiedliche Ergebnisse erzielt. Einige Forscher bezweifeln, ob die Datenanalyse korrekt durchgeführt wurde, insbesondere hinsichtlich der Abtrennung von Untergrundeffekten und der Interpretation der Impulsdichteverteilungen. Andere theoretische Arbeiten konnten den Effekt in Simulationen nicht reproduzieren. Der Befund bleibt ein aktives Forschungsgebiet, und eine endgültige Klärung steht noch aus.

Kinetic Energy of Hydrogen Atoms vs Temperature Line chart showing the controversial observation that the mean kinetic energy of hydrogen atoms in water increases as temperature decreases below about 270 K, contradicting the classical expectation that kinetic energy should decrease proportionally with temperature. Results from deep inelastic neutron scattering. This finding remains disputed. Mean kinetic energy (meV) 170 155 140 125 200 250 300 350 400 Temperature (K) Disputed result Anomalous region DINS data Classical Hydrogen Kinetic Energy vs Temperature
Kinetische Energie der Wasserstoffatome: DINS-Messdaten (umstritten) und klassische Erwartung.

Alltagsrelevanz

Obwohl dieser Effekt keine direkten Alltagsanwendungen hat, berührt er grundlegende Fragen der Quantenmechanik in kondensierten Systemen. Wenn die Messungen korrekt sind, würde das bedeuten, dass die Quantennatur der Protonen in Wasser bei tiefen Temperaturen noch stärker zum Tragen kommt als bisher angenommen — mit möglichen Konsequenzen für das Verständnis von Protonentransfer in biologischen Systemen, Brennstoffzellen und der Atmosphärenchemie. Die Debatte zeigt auch, wie wichtig unabhängige experimentelle Bestätigung in der Wissenschaft ist.