Ein Experiment an der Christian Albrecht Universität Kiel
Mit einem hochtechnischen Experiment konnte am Institut für Plasmaphysik in Kiel der Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand mittels eines sogenannten Plasmakristalls simuliert und gefilmt werden. Hier wird gekürzt dieses Experiment beschrieben und auf die Internetseite des Instituts verwiesen, auf der man Videoaufnahmen verschiedener Phasenzustände sehen kann.
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Der Versuchsaufbau enthält im Zentrum die Plasmakammer, die mit großen Fenstern an allen vier Seiten und im Deckeln ausgestattet ist. Die Beobachtung des Plasmakristalls erfolgt mit Videokameras und Teleobjektiven von oben und von der Seite. Mit Hilfe eines Fächers aus Laserlicht wird nur eine Kristallebene beleuchtet. |
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Als Modellatomkerne (Staub) werden Plastikkugeln mit einem Durchmesser von 9,5 µm verwendet. Das Bild zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme des Modellstaubs. |
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Im Plasma der Hochfrequenzentladung laden sich die Staubteilchen negativ auf. Unter dem Einfluss der gegenseitigen elektrischen Abstoßung bilden die Staubpartikel bei Raumtemperatur ein regelmäßiges Muster, den Plasmakristall. Die Kristallstruktur in der Ebene zeigt eine hexagonale (sechseckige) Struktur. |
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Die Bildfolgen zeigen Langzeitaufnahmen (10 s) des Plasmakristalls. Die Bahn jedes einzelnen Teilchens ist dann als Spur sichtbar. |
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Fest
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Schmelzend
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Flüssig
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| Im festen Zustand bleiben die Teilchen praktisch im Zentrum ihrer sechseckigen "Wigner-Zelle" und vollführen thermische Schwingungen um ihre Gleichgewichtslage. | Während des Schmelzens gibt es noch Teilbereiche, die fest bleiben (mittleres Bild unten rechts). | Im flüssigen Zustand bewegen sich die Teilchen über Entfernungen, die größer sind als der mittlere Abstand der Teilchen. Die Bewegung ist aber noch stark geordnet, indem sich Stromlinien bilden und die Teilchenbahnen sich in der Regel nicht überschneiden. |
Der Plasmakristall ist ein ideales Studienobjekt, um den fest-flüssig Phasenübergang in nahezu zweidimensionalen Systemen zu studieren. Der besondere Reiz dieser Untersuchungen liegt darin, dass man die Bewegung jedes einzelnen Teilchens verfolgen kann. Dieses ist in realen Systemen auf atomarer Skala bisher nicht möglich. Der Phasenübergang wird durch eine Erhöhung der Temperatur (d.h. der kinetischen Energie der ungeordneten Bewegung) der Staubteilchen bewirkt.
Ursache für diese Temperaturzunahme ist die Anregung instabiler Gitterwellen im Staubkristall, die von der Ionenströmung im Randschichtbereich angetrieben wird. Bei hohem Gasdruck (118 Pa) sind die Reibungskräfte zwischen Staub und Gas groß genug um die Instabilität zu dämpfen. Wenn wir den Gasdruck verringern, nehmen die Teilchenoszillationen immer mehr zu und führen zum Schmelzen des Kristalls.