Höhere Experimentalphysik II

Transkript

1 Höhere Experimentalphysik II Institut für Angewandte Physik 2. Teil 9. Vorlesung

2 Letzte Woche Teilchendynamik in Einschlüssen am Beispiel der Gabor-Linse Beschreibung der Geschwindigkeitsverteilung in einem longitudinalen, elektrischen Potential Bild: Bachelorarbeit Virginia Britten Thermodynamik: Hauptsatz Maxwell scher Dämon / Bild: Doktorarbeit Oliver Meusel

3 Posterthemen 1. Plasmaeinschluss durch Gravitation am Beispiel der Sonne D. MANN, L. BOTT 2. Glanz(farbe) unterschiedlicher Metalle F. SPITZFADEN, M. MARCZ, J. HELLWIG 3. Vergleich freies Elektronengas Elektronenplasma Y. HEIN, K. WARAWA 4. Plasmaerzeugung in Fusionsexperimenten L. SCHREIBER, C. SCHMAL

4 Tieftemperatureffekte Temperaturmessungen Primärthermometer Sekundärthermometer Kühlen Kryostat magnetisches Kühlen Verdampfungskühlen Helium 3/Helium 4 Mischungskühlung... Tiefe Temperaturen Doppler-Temperatur Rückstoßtemperatur Tiefkaltes Helium Suprafluidität Lambdapunkt Helium II Onnes-Effekt

5 Temperaturmessungen Aus dem Alltag bekannte, normale Temperaturmessung vergleichbare Wärmemessungen waren erst durch Fahrenheit ermöglich (1724), der ein Flüssigkeitsthermometer eichte 1742 definierte Anders Celsius die heute bekannte Temperaturskala mit Hilfe eines Quecksilverthermometers (aber: 0 C = siedendes Wasser, 100 C = gefrorenes Wasser)

6 Temperaturmessungen Die meisten uns bekannten Thermometer sind sogenannte sekundäre Thermometer : sie werden an vorhandenen Thermometern kalibriert

7 Temperaturmessungen Primäre Thermometer verwenden einen direkten physikalischen Zusammenhang zur Bestimmung der Temperatur Gasthermometer Pyrometer Dampfdruckthermometer (hinunter bis ~ 1K)

8 Aufbau eines Kryostaten

9 Kühlvorgänge Kompressionskältemaschine (Kühlschrank ) Linde-Verfahren 3 < mk Laser-Kühlung ~ mk magnetisches Kühlen mit Helium: ~ 1 Kelvin He 4He Mischungskühlung Verflüssigung von Luft: ~ 100 Kelvin Verdampfungskühlen ***-Gefrierfach ~einige 100 µk (Grenze: Dopplertemperatur) Sisyphuskühlung ~ 1 µk (Grenze: Rückstoßtemperatur)

10 Hampson-Linde-Verfahren Wiliam Hampson und Carl von Linde patentieren unabhängig voneinander 1895 das Verfahren zum Verflüssigen von Luft. Verdichten des Gases (wird dabei erwärmt) Kühlen des verdichteten Gases mit einem vorhandenen Kühlgerät im Gegenstromprinzip mit dem gekühlten Gas welches aus dem Behälter mit verflüssigter Luft entweicht Entspannen des Gases unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effekts Das Verfahren kann auch zur Verflüssigung von Helium verwendet werden, hierfür muss aber vor der Entspannung die Inversionstemperatur von ~220K (H) bzw. ~40 K (He) unterschritten werden

11 Verdampfungskühlen Von einem Bad flüssiger Luft/Stickstoffs/Helium lässt sich mit Hilfe einer Pumpe der gasförmige Anteil abziehen. Hierbei handelt es sich um den hochenergetischsten Teil der MaxwellBoltzmann-Verteilung des Gemisches. Somit entnimmt man fortwährend die hochenergetischsten Teile des Gemischs und kühlt es hierüber ab. Mit 4He lässt sich ein Bad auf ca. 0.8 K abkühlen, mit Hilfe von 3He sogar auf bis zu 0.3K.

12 3 He 4He Mischungskühlung Eine besondere Form der Kühlung stellt die 3He-4HeMischungskühlung dar. Hier wird in einen bereits abgekühltes Gefäß mit 4He 3He eingeleitet. Unterhalb von 1K bildet sich eine Phasenseparation von konzentriertem 3He und stark verdünntem 3He in 4He. Treten 3He aus der konzentrierten in die verdünnte Phase über, ähnelt das thermodynamisch einem Übergang von flüssig nach gasförmig und der Umgebung wird dadurch Energie entzogen.

13 3 He 4He Mischungskühlung

14 Magnetisches Kühlen Eine Probe wird einem Magnetfeld ausgesetzt, welches die magentischen Momente des Materials ausrichtet und anschließend auf die Temperatur T1 abgekühlt. Hier wird das Magnetfeld gesenkt und die magnetischen Momente können sich wieder beliebig ausrichten, müssen hierfür aber die Energie der Umgebung entziehen.

15 Laser-Kühlung Bei der Laser-Kühlung werden die zu kühlenden Atome mit Hilfe eines Lasers in einen angeregten Zustand versetzt. Dieser zerfällt: stimulierte Emission: kein Effekt spontane Emission: Impulsübertrag auf das Atom Da sich die Atome bewegen, muss die Wellenlänge entsprechend der Dopplerverschiebung angepasst werden, so erreicht man die sich schnell bewegenden ( heißen ) Atome. Damit in alle Raumrichtungen gekühlt werden kann, benötigt man sechs Laser die jeweils als Paar pro Raumrichtung eingesetzt werden. Die Grenze der Kühlmöglichkeit hier gibt die Dopplertemperatur, die einige 100 µk beträgt. Mit Hilfe der Syssiphoskühlung es es möglich, die Dopplertemperatur noch zu unterschreiten. Theoretisches Minimum ist hierbei die Rückstoßtemperatur (~ 1µK), die dem Rückstoß des Photons auf das gekühlte Atom entspricht.

16 Tiefkaltes Helium Tiefkaltes Helium zeigt mehrere außergewöhnliche Effekte: Onnes-Effekt Suprafluidität extrem große Wärmeleitfähigkeit

17 Lambdapunkt Der Lambda-Punkt, der der Lambda-Temperatur entspricht, ist der Übergang bei der eine Flüssigkeit in den suprafluiden Zustand übergeht. Am LambdaPunkt ist die spezifische Wärmekapazität unendlich. Für 4He ist der Lambda-Punkt bei 2,17 K und ~50 mbar erreicht. Oberhalb des Lambdapunktes wird 4He als Helium I bezeichnet unterhalb als Helium II.

18 Tiefkaltes Helium: Suprafluidität Suprafluidität beschreibt den Zustand einer viskositätsfreien Flüssigkeit. Suprafluides Helium kann durch sogenannte Superlecks, Kapillaren mit 10-8m, fließen Bei Rotation des Flüssigkeitsbehälters dreht sich das Helium II nicht mit. Schnelle Rotation führt zu quantisierten Wirbeln, die sich hexagonal anordnen. Springbrunneneffekt : Eine Anordnung aus einem Superleck mit einer Heizung kann aus Helium II eine Fontäne aus Helium I erzeugen.

19 Tiefkaltes Helium: Onnes-Effekt Onnes-Effekt bewirkt ein Wandern des Helium II entlang sämtlicher Oberflächen. Da durch die Suprafluidität die dynamische Viskosität verschwindet sind die Kapillarkräfte stärker als die Gravitationskraft. Dadurch kann Helium II beliebig weit hoch wandern die Konstruktion eines Gefäßes für suprafluides Helium ist also eher aufwändig.

20 Schönes Wochenende!