Chemienobelpreis 1986: Dudley Robert Herschbach — Yuan Tseh Lee — John Charles Polanyi
Die drei amerikanischen Wissenschaftler erhielten den Nobelpreis für ihre Arbeiten zur Dynamik chemischer Elementarprozesse.
Biografien
Dudley Robert Herschbach, * San José (Kalifornien) 18. 6. 1932; 1958 Promotion an der Harvard University (Cambridge, Massachusetts), 1959 Assistenzprofessor an der University of California (Berkeley), seit 1963 ordentlicher Professor an der Harvard University.
Yuan Tseh Lee, * Hsinchu (Taiwan) 19. 11. 1936; 1965 Promotion an der University of California (Berkeley), 1968 Assistenz-, 1973 ordentlicher Professor für Chemie an der University of Chicago, seit 1974 Professor an der University of California (Berkeley), ebenfalls 1974 amerikanische Staatsbürgerschaft.
John Charles Polanyi, * Berlin 23.1. 1929; 1952 Promotion, nach Forschungsaufenthalten an den National Research Council Laboratories in Ottawa (Kanada) und an der Princeton University (New Jersey), seit 1956 Professur an der University of Toronto (Kanada), friedenspolitisches Engagement.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Dudley Robert Herschbach begeisterte sich schon während seiner Studienzeit für chemische Kinetik, ein Spezialgebiet der physikalischen Chemie, das die Aufklärung von Reaktionsmechanismen und die Theorie der chemischen Prozesse behandelt. 1955 erfuhr er erstmals von der Technik der Molekularstrahlen, deren Möglichkeiten für das Studium von Reaktionsverläufen er sofort erkannte. Das Verfahren der Molekularstrahlen war bereits 1920 von dem deutschen Physiker Otto Stern (Nobelpreis für Physik 1943) eingeführt worden. Stern hatte durch Beheizen eines dünnen Silberdrahts unter einer Glasglocke im Hochvakuum Silberatome nach allen Richtungen verdampft und mithilfe eines Spalts einen schmalen Teilchenstrahl erzeugt. Mitte der 1950er-Jahre hatten die amerikanischen Physikochemiker Ellison Hall Taylor und Sheldon Datz erstmals eine chemische Reaktion — K + HBr → KBr + H — durch Kreuzen zweier Molekularstrahlen hervorgerufen.
Herschbach begann 1959 mit eigenen Molekularstrahlexperimenten an einer selbstgebauten Apparatur (»Big Bertha«), die nach demselben Prinzip wie Sterns Gerät arbeitete. An dem chemischen System K + CH3I → KI + CH3 führte er die erste detaillierte Untersuchung einer reaktiven Molekülkollision, das heißt einer chemischen Elementarreaktion, durch. Damit eröffnete er das neue Forschungsfeld der Reaktionsdynamik, die die Geometrie chemischer Stoßvorgänge, Energieverteilungen in Übergangskomplexen und deren Lebensdauer untersucht und Einblicke in bis dahin unzugängliche Details der chemischen Reaktivität ermöglichte. So konnte Herschbach zeigen, dass nur etwa 1-10 Prozent der Kollisionen zu einer Reaktion führen und die Übergangskomplexe oft nur über einen Zeitraum von 5 x 10-13 Sekunden bestehen, was der Schwingungsdauer einer chemischen Bindung entspricht. Ferner identifizierte er den Rückprallmechanismus, bei dem die Teilchen in einer »harten« Kollision aufeinander prallen und nach dem Bindungswechsel mit Richtungsumkehr auseinander fliegen und die Abstreifreaktion, bei der nach dem Bindungswechsel keine Richtungsänderung stattfindet.
1967 kam Yuan Tseh Lee als Postdoktorand in die Arbeitsgruppe Herschbachs an die Harvard University. Gemeinsam bauten sie die »Supermaschine«, die die Palette untersuchbarer Reaktionen über die der Alkalimetalle hinaus erheblich erweiterte. Es folgten Arbeiten über Reaktionen der Halogene, Halogenwasserstoffe und organischer Halogenverbindungen. Die Supermaschine erzeugte Überschallmolekularstrahlen, die einem neuen Materiezustand entsprechen. Alle Moleküle bewegen sich praktisch stoßfrei in dieselbe Richtung und mit nahezu gleicher Geschwindigkeit, wobei die Molekülabstände im Durchschnitt 50 Moleküldurchmesser betragen.
Neue Methoden in der Molekularstrahltechnik
Als Yuan Tseh Lee zu Herschbachs Arbeitsgruppe stieß, hatte er bereits als Postdoktorand an der University of California in Berkeley Erfahrungen mit der Molekularstrahltechnik gesammelt. Lee war ein ungewöhnlich geschickter Konstrukteur neuer Varianten von Molekularstrahlapparaturen, womit es ihm gelang, die Möglichkeiten der Reaktionsdynamik beträchtlich zu erweitern. Neben den schon erwähnten Überschalldüsen sind hier vor allem die Einführung von Massenspektrometer-Detektoren und computergestützte Geschwindigkeitsanalysen zu nennen. Als weitere technische Neuerung kam die Bestrahlung von Molekularstrahlen mit Laserlicht hinzu. Dadurch gewann Lee neue Erkenntnisse über pfotochemische Zerfallsreaktionen. Die Molekularstrahltechnik veranschaulicht Einzelheiten chemischer Reaktionen, indem sie ermöglicht, die Bahnen einzelner Moleküle oder Molekülbruchstücke zu verfolgen. Mit ihrer Hilfe erhielt Lee Informationen über die Primärprodukte, die hochreaktiven Zwischenverbindungen komplizierterer Reaktionsmechanismen, die mit den klassischen Verfahren der chemischen Kinetik nicht erfasst werden können. So wies er unter anderem nach, dass die Reaktion der Elemente Fluor und Iod nicht wie bislang angenommen zuerst über eine Moleküldissoziation läuft, sondern Produktmoleküle IF unmittelbar aus Molekülkollisionen hervorgehen. Die Möglichkeit, Strahlen mit definierter Teilchengeschwindigkeit und damit definierter kinetischer Energie zu erzeugen, erlaubte die Synthese bislang unbekannter Spezies (HIF, ClIF, I2F) und das Studium ihrer Eigenschaften.
In den Fußstapfen des Vaters
John Charles Polanyis Vater, der Physikochemiker Michael Polanyi, hatte in den 1920er-Jahren in Berlin zusammen mit dem amerikanischen Chemiker Henry Eyring und dem britischen Physikochemiker Meredith Gwynne Evans die so genannte Theorie des Übergangszustands formuliert. Demnach besteht ein chemischer Reaktionsschritt aus dem Übergang der fortschreitenden Bewegung eines Moleküls in eine innermolekulare Schwingungsbewegung (Schließen einer chemischen Bindung) durch zwischenzeitliche Ausbildung eines »aktivierten Komplexes«, das heißt eines energetisch angeregten Übergangszustands.
In den 1950er-Jahren untersuchte John Polanyi die Reaktion von atomarem Wasserstoff mit elementarem Chlor: H + Cl2 → HCl + Cl. Der mittels elektrischer Entladung erzeugte atomare Wasserstoff wurde in einen Chlorgasstrom niedrigen Drucks eingeleitet. Beim Übergang der im Reaktionsverlauf entstehenden energetisch aktivierten Komplexe in den Grundzustand wird kurzzeitig Strahlung im infraroten Bereich freigesetzt (Chemilumineszenz), deren Spektralanalyse Rückschlüsse auf Rotations- und Schwingungszustände erlaubte. Polanyi befasste sich intensiv mit den innermolekularen und intermolekularen Bewegungen bei Reaktionsvorgängen und den Energieverteilungen in reagierenden und Produktspezies.
Auf der Basis quantenmechanischer Berechnungen lassen sich Verläufe einfacher Reaktionen näherungsweise durch Energiehyperflächen theoretisch beschreiben. Von dieser Möglichkeitmachte Polanyi Gebrauch. Er untersuchte Zusammenhänge zwischen den Atommassen der reagierenden Teilchen und ihrer Reaktionsdynamik. Polanyis Arbeiten legten die theoretische Grundlage für den Bau chemischer Laser.
Als politisch engagierter Wissenschaftler hat Polanyi immer wieder seine Stimme erhoben. So war er Mitherausgeber des 1979 erschienenen Buchs »The Dangers of Nuclear War« (englisch; Die Gefahren eines Atomkriegs). In der Regierungszeit Ronald Reagans setzte er sich gegen die Verwendung von Laserwaffen im Rahmen des SDI-Programms ein.
J. Berger