Wie erzeugt man labor temperaturen absoluten nullpunkt 0 k nahe kommen
Mittels Laserkühlung. Das Prinzip ist folgendes:
"Die Temperatur eines Gases drückt sich in der Bewegung der Atome aus, vgl. kinetische Gastheorie. Je größer die mittlere Geschwindigkeit der Atome in einem Gas ist, desto heißer ist dieses. Die Geschwindigkeit der Atome kann durch geschickten Beschuss mit Lichtquanten verringert werden. Trifft ein Photon auf ein Atom, so kann das Photon absorbiert werden, dabei geht ein Hüllenelektron in einen angeregten Zustand über. Dieser kann nach einer Zeit „zerfallen“ , dabei wird ein Photon in eine zufällige Richtung abgegeben. Das Atom erhält, aufgrund der Impulserhaltung, bei jeder Absorption und Emission einen kleinen Rückstoß. Bestrahlt man nun Atome mit einem Laser, dann kann jedes einzelne Atom nacheinander eine sehr große Zahl von Photonen streuen. Dabei geht der Rückstoß bei der Absorption immer in dieselbe Richtung und hat daher im Mittel über viele Photonenstreuungen einen großen Effekt, während der bei der Emission auftretende Rückstoß immer in eine andere Richtung geht und sich über die Zeit aufhebt. Durch Ausnutzung des Dopplereffekts kann man erreichen, dass Atome, die mit Laserlicht aus allen Richtungen bestrahlt werden, hauptsächlich Photonen aus dem Strahl absorbieren, auf den sie sich zubewegen. Die resultierende Kraft ist der Bewegungsrichtung der Atome entgegengesetzt und bremst sie dadurch ab. Die mittlere Geschwindigkeit nimmt mit der Zeit ab, das Gas wird kälter."
==> Laserkühlung – Wikipedia
11 Antworten zur Frage
Videos zum Thema
YouTube Videos
Wie erzeugt man im Labor Temperaturen, die dem absoluten Nullpunkt von 0 K nahe kommen?
Üblicherweise Abpumpen von Helium und dann Entmagnetisieren.
Das sind die Schichten:
Labor
Isolation
flüssiger Stickstoff
Isolation
flüssiges Helium
Supraleitender Magnet -> geeignet Abschalten
geeignet heißt, so langsam, dass das Helium nich explodiert und so schnell, dass ein deutlicher Rutsch nach 0 zu verzeichnen.
Es wird der Gasdruck über dem flüssigen Helium im Kryostaten durch Abpumpen des flüssigen Heliums reduziert. Durch Dampfdruckerniedrigung von 4He kommt man auf Werte um 1K.
Durch entmagnetisieren von paramagnetischem Salz kommt man auf 1mK runter.
Magnetische Kühlung – Wikipedia
Bis 10μK kommt man durch nukleare Adiabatische Entmagnetisierung. Hinweise darauf findet sich auch in dem Wiki-Artikel. Das weiß ich aber nicht genau wie es geht. Das andere habe ich vor langer Zeit mal in einem Praktikumsversuch gemacht.
Hier eine Skizze eines Verdampferkryostaten
Helium-Verdampfungskryostat - Lexikon der Physik - Spektrum der Wissenschaft
Aber Achtung: Wenn zusätlich eine Probe entmagnetisiert werden soll, muss auch ein Supraleitender Magnet mit in das Gerät.
Woraus wird das helium abgepumpt und was entmagnetisiert?
Um ultratiefe Temperaturen unter 1 K zu erreichen gibt es verschiedene Verfahren, z.B. die Laserkühlung, die evaporative Kühlung und die Verdampfungskühlung, die magnetische Kühlung u.a.
Mehr Infos hierTieftemperaturphysik – Wikipedia
Das Kühlprinzip 3He-4He-Mischungskühlung wird in kommerziell erhältlichen Mischungskryostaten angewandt, um Temperaturen unterhalb von 1 Kelvin zu erreichen, wie sie für die Grundlagenforschung, zum Beispiel im Bereich der Festkörperphysik oder Tieftemperaturphysik, benötigt werden.
3He-4He-Mischungskühlung – Wikipedia
vielleicht hilfreich:
Welt der Physik: Kühlung: Möglichst nahe am absoluten Nullpunkt
in der Praxis abkühlen mit flüssigem Stickstoff / Sauerstoff.
da steht: "Entweder muss man ein Gas Arbeit verrichten lassen oder man muss dem Material auf geeignete Weise einen Teil der in ihm enthaltenen, unterschiedlichsten Energiearten entziehen. Wenn das adiabatisch erfolgt, also ohne dass das Material wieder Energie aus der Umgebung aufnehmen kann, dann gleicht es diesen Verlust durch Entnahme von kinetischer Energie aus den Schwingungen seiner Bestandteile aus. Die Folge die Energieentnahme: Das Material wird kälter."
Kannst Du mir das bitte genauer erklären? Welche Gase nimmt man und wie setzt man sie genau ein?
Ich hatte früher viel mit Flüssig-Sauerstoff zu tun und kenne nur das industrielle Linde-Verfahren. Meines Wissens erreichst du nur mit verflüssigtem Stickstoff und Sauerstoff Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.
Zitat:
"Stickstoff wechselt erst bei einer Temperatur von -196 °C seinen Aggregatzustand. Um diesen Zustand zu erreichen, wird mithilfe des sogenannten Linde-Verfahrens Luft verlüssigt. Dabei nutzt man den Joule-Thompson-Effekt: Ein unter Druck stehendes Gas wird schnell zum Entspannen gebracht - dadurch kühlt es ab. Nach Linde wiederholt man diesen Prozess mit einem Gegenströmer.
nennt sich dann
'Fraktionierte Destillation von flüssiger Luft'.
196 ° ist aber noch weit vom absoluten Nullpunkt entfernt.