Lexikon: Vakuum

 

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Das Wort Vakuum (von lat. vacuus (leer, frei)) wird in verschiedenen Bedeutungen gebraucht:

  • Umgangssprachlich : Vakuum ist ein materiefreier Raum.
  • und Klassische Physik : Vakuum bezeichnet den Zustand eines Fluids in einem Volumen bei einem Druck, der geringer ist als der Luftdruck|Atmosphärendruck bei Normalbedingungen.
  • Quantenphysik : In der Quantenfeldtheorie wird der Zustand niedrigster Energie mit Vakuumzustand bezeichnet.

Vakuumtechnik

Auf der Erde kann man ein Vakuum herstellen, indem man einen abgeschlossene Hohlraum, den Rezipient (Vakuumtechnik)|Rezipienten, vom darin enthaltenem Gas mittels geeigneter Vakuumpumpen befreit. Das einfachste Gerät zum Herstellen eines (minderwertigen) Grobvakuums ist die Wasserstrahlpumpe. Spezialpumpen oder Kühlfallen reduzieren die Gasmenge weiter. Während ein vollständig materiefreier Raum nicht herstellbar ist, können technische Vakua in verschiedenen Qualitäten hergestellt werden. Man unterscheidet in der Technik unterschiedliche Qualitäten der erzielten Vakua nach der Menge der verbleibenden Materie (gemessen durch den Druck in Pa = Pascal (Einheit)|Pascal oder mbar = milliBar (Einheit)|bar):

Vakuumbereich Druck (Physik)|Druck in hPa Moleküle pro cm3 mittlere freie Weglänge
Grobvakuum 1000..1 1019..1016 0,1..100 μm
Feinvakuum 1..10-3 1016..1013 0,1..100 mm
Hochvakuum 10-3..10-7 1013..109 10 cm..1 km
Ultrahochvakuum 10-7..10-12 109..104 1 km..105 km
extr. Ultrahochv. ab 10-12 <104 >105 km


Technische Vakua finden Anwendung in der Forschung, in der ie, bei der Erschmelzung von Metall|metallischen Werkstoffen und in der Fertigung von Mikroelektronik. Auch im Innenraum von Bildröhren von n oder Bildschirm|Monitoren herrscht Hochvakuum vor, um die Streuung der Elektronenstrahlen gering zu halten.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Verpackung von Lebensmitteln mittels Vakuum. Diese werden dann von gasdichten Kunststoffhüllen umschlossen und sind durch die Abwesenheit des 'alternden' Luftsauerstoffs länger haltbar. Neben Erdnüssen werden auch Fleisch und Fleischwaren sowie Käse 'vakuumiert'.

Vakuum im Weltraum

Das im Weltraum im Interstellarer Raum|interstellaren Raum oder im Intergalaktischer Raum|intergalaktischen Raum auftretende Vakuum ist im Allgemeinen dünner als jedes auf der Erde herstellbare Vakuum. Allerdings ist auch der Weltraum nicht völlig leer (durchschnittlich ein Teilchen pro cm³).

Geschichte des Vakuums

Die Idee des Vakuums stammt wahrscheinlich von Leukipp oder seinem Schüler Demokrit und war eine tragende Säule des Weltbildes der Epikur|epikureischen Philosophie. Diese nahmen an, dass die Materie aus unteilbaren kleinsten Teilchen (atomoi) aufgebaut ist, die sich im leeren Raum, also im Vakuum, bewegen und nur infolge der Leere des Raumes die Möglichkeit zur Bewegung und Interaktion haben. Diese Annahme wurde aber vor allem von Aristoteles und seiner Akademie abgelehnt, da sich Aristoteles eine Bewegung ohne treibendes Medium nicht denken konnte; man dachte sich den Raum zwischen den Gestirnen daher von 'Äther' erfüllt. Auch die Platonische Schule lehnte es ab, an das nicht-Seiende zu glauben. Im galt Aristoteles als Autorität. Obwohl bereits wieder von Giordano Bruno aufgegriffen und verteidigt, konnte sich die Idee vom Vakuum erst mit den ersten Demonstrationen durchsetzen.

Das erste Vakuum wurde von Evangelista Torricelli mit der Hilfe einer Quecksilbersäule in einem gebogenen Glasrohr hergestellt. Populär wurde das Vakuum durch Otto von Guericke. Er spannte Pferde an zwei Metallhalbkugeln, aus denen er vorher die Luft herausgesaugt hatte. Der beobachtete Effekt ist allerdings weniger eine Eigenschaft des Vakuums als vielmehr des Drucks der umgebenden Luft (siehe Magdeburger Halbkugeln).

Die Streuversuche von Ernest Rutherford (1911) zeigten, dass Alphastrahlung|Alpha-Teilchen eine Goldfolie ohne Widerstand durchqueren können. Dies zeigte, dass die Masse (Physik)|Masse von en im Kern zentriert ist. Darauf aufbauend entwarf Niels Bohr ein Modell, nach dem die en den Atomkern umkreisen, wie die Planeten die . Im Inneren der Atome schien also ein Vakuum zu herrschen. Obwohl man diese Sichtweise noch gelegentlich in der Literatur antrifft, gilt das Innere der Atome heute als von den Aufenthaltsbereichen der Elektronen (Orbitale) ausgefüllt.

Das Vakuum in der modernen Physik

In der Quantenfeldtheorie erscheint das Vakuum als ein dynamisches Medium mit vielfältigen Eigenschaften (siehe Vakuumfluktuationen). Auch die in der heutigen Kosmologie wieder notwendige kosmologische Konstante soll ihren Ursprung in den Vakuumfluktuationen haben.

Eigenschaften und Anwendungen des Vakuums

, Teilchen, Festkörper, elektrische, magnetische und Gravitationsfelder breiten sich im Vakuum aus; dagegen benötigen Schallwellen ein materielles Medium und können sich daher im Vakuum nicht ausbreiten. kann sich als Elektromagnetische Welle|elektromagnetische Welle auch im Vakuum fortpflanzen. Dagegen führt die Absenkung des Drucks zur Verminderung der materiegebundenen Wärmeübertragungsprozesse. Die Verringerung von Wärmeströmung () und Wärmeleitung (Phononenschwingungen) findet Anwendung in der Thermoskanne (Dewargefäß|Dewar-Gefäß).

Die hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit im Hochvakuum wird in Vakuumkondensatoren der Hochleistungselektronik und dem Hochspannungsteil von evakuierten Röntgenröhren genutzt. Es gibt jedoch einen Druckbereich in dem Luft sogar schneller durchschlägt als bei Normalbedingung|Normaldruck und der der technischen Definition nach als Vakuum bezeichnet wird (10-2 bis 10-3 mbar).

Das Vakuum ist kein Lebensraum, da Lebewesen auf Materie zu ihrem Stoffwechsel angewiesen sind. Allerdings können viele Lebewesen (Bakterien, Pflanzen) einen gewissen Zeitraum im Vakuum überleben. Auch Tiere explodieren oder verkochen nicht, wenn sie dem Vakuum kurzzeitig ausgesetzt sind. Allerdings tritt in kurzer Zeit der Tod durch Ersticken ein.

Das Gefriertrocknung|Gefriertrocknen etwa von Kaffee, Tee, Gemüse oder Blut ist kein Effekt des Vakuums, sondern durch die verminderung von Wasser bei tiefem Druck bedingt.

Literatur

  • Karin Wey, Ralph Jürgen Peters: Geschichte der Vakuumtechnik. Vakuum in Forschung und Praxis 14(3), S. 180 - 183 (2002), ISSN 0947-076X
  • Heinz-Dieter Bürger: Die Geschichte der Vakuumkühlung. Vakuum in Forschung und Praxis 16(2), S. 67 - 70 (2004), ISSN 0947-076X
  • Henning Genz: "Nichts als das Nichts. Die Physik des Vakuums". WILEY-VCH Verlag, Weinheim 2004 ISBN 3-527-40319-1

Weblinks

Kategorie:Physik

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