HSOH - Ein Paradebeispiel für einen internen Rotor

In dem Projekt "HSOH" geht es um das Verständnis der internen Dynamik kleiner Moleküle. Von besonderem Interesse sind dabei Moleküle, die auch im interstellaren Medium (ISM) vorkommen können.
Ein solches Molekül ist HSOH. Man geht davon aus, dass es sowohl im ISM, als auch in der Atmosphäre von Planeten, in denen Schwefel vorkommt, auftritt.

Das Molekül ist auch aus einem anderen Grund sehr interessant: Es handelt sich um ein relativ einfaches Molekül aus vier Atomen, die kettenartig miteinander verbunden sind. Ein gutes Verständnis dieses Moleküls kann helfen, die interne Dynamik größerer, komplexer Moleküle zu verstehen.

HSOH ist das Zwischenmolekül von HSSH und HOOH mit zwei verschiedenen "Armen“: Zum einen die SH- und zum anderen die OH-Verbindung. Das Molekül besitzt eine interessante interne Dynamik; so sind etwa die Rotation und die Vibration gekoppelt. Zudem können die beiden Arme (O-H und S-H) um die S-O-Achse rotieren ("Torsion").

Das zur Torsionsbewegung gehörige Potential weist zwei Maxima auf bzw. zwei Minima auf. Dieses sog. Doppelmuldenpotential führt zur Aufspaltung der Rotations-Vibrations-Niveaus des Moleküls, was sich im Spektrum durch eine Aufspaltung der Spektrallinien zeigt. Die Gesetzmäßigkeiten, die diese sog. Torsionsaufspaltung der Energieniveaus und Spektrallinien bestimmen, sind noch nicht vollständig verstanden und Gegenstand aktueller Forschung.

Abb. 2: Das Doppelmuldenpotential von HSOH, nach oben ist die Energie in Wellenzahlen aufgetragen, nach rechts ist der Winkel zwischen den beiden O-H und O-S Armen angegeben. Man sieht deutlich die beiden Minima und die beiden Barrieren, sowie deren Werte. Die grünen Striche zeigen verschiedene Energieniveaus von HSOH, die aufgrund der Torsionsaufspaltung in Dubletten auftreten.

Hierzu werden wir Messungen an der Synchrotron-Anlage SOLEIL in Frankreich durchführen und das erste breitbandige Spektrum von HSOH im ferninfraroten Frequenzbereich erhalten. Mit Hilfe der wesentlich schmalbandigeren aber dafür hochauflösenden Strahlungsquellen in Kassel und Köln werden wir besonders interessante Bereiche genauer unter die Lupe nehmen.
Für die Messungen muss HSOH permanent neu produziert werden, da es kurzlebig ist (einige Sekunden Lebensdauer). Dazu werden verschiedene Vorgänger-Moleküle in eine starke Radiofrequenzentladung eingebracht und in dem so entstehenden Plasma bildet sich HSOH.

Radiofrequenz-Entladung im THz-Labor. In dem leuchtenden Plasma entsteht das Molekül HSOH.

Ziel meiner Arbeit ist es, genaue Messungen vorzunehmen, um Aussagen über die interne Dynamik von HSOH treffen zu können. Anhand der Messungen können die Molekülkonstanten verbessert werden. Hierbei handelt es sich um Variablen, mit denen die quantenmechanischen Zustände des Systems beschrieben werden.
Darüberhinaus kann man anhand der Messungen quantenmechanische Modelle prüfen, welche das Verhalten der Tunnelaufspaltung beschreiben, so z.B. ihre Größe im Grundzustand oder in vibrations-angeregten Zuständen des Moleküls. In enger Zusammenarbeit mit Theoretikern wird damit ein besseres Verständnis der internen Dynamik von Molekülen angestrebt.