Thermodynamik: Laser & Bose-Einstein-Kondensat

1.1
Fortsetzung Energie und Materie

Laser (=Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Albert Einstein war um 1925 der erste,
der erläuterte, daß es möglich sei, eine Substanz
so anzuregen, daß sie Photonen des selben Energiezustandes
und in die selbe Richtung aussendet. 1954 wurde dann von Townes,
Basov und Prokhorov die ersten Mikrowellenlaser
konstruiert; sie erhielten für Ihre Arbeiten 1964 den Nobel-Preis.

rubinl - Thermodynamik: Laser & Bose-Einstein-Kondensat

Animation des Rubinlasers
von Townes

Bei einem Rubin-Laser regt
Licht aus einer Blitzlampe (Quecksilberdampflampe) (=optisches
Pumpen) die Atome eines Rubinstabes an. Diese geben Photonen ab
und bewegen sich zwischen 2 Spiegeln solange hin und her und regen
weitere Rubinatome zur Emission an (Kettenreaktion), bis aus der
Öffnung kohärentes dunkelrotes Licht austritt.
Alle Lichtwellen besitzen denselben Energiezustand.

Heute gibt
es verschieden Lasertypen:

Excimer
Laser
(z.B. Argon Fluorid (UV)193 nm
Opthalmologie, Schneiden, Bohren),
Gaslaser(z.B. Argon (Blau) 488 nm
Displays, Lightshows, Opthalmologie, Chirurgie,
Metalldampflaser, Farbstofflaser)
Feststofflaser(z.B. Neodym:YAG (NIR)1,064
nm Kleben, Löten, Lightshows)
,
Halbleiterlaser( z.B. Gallium Arsenid (GaAs)
(NIR) 840 nm Laserdrucker, CD/DVD)

Bose-Einstein-Kondensat

2001 wurde der Nobelpreis für
Physik u.a. an W. Ketterle für die Erforschung des Bose-Einstein-Kondensats
vergeben (= besonderer Zustand der Atome am absoluten Nullpunkt),
wo man mit Hilfe von Laserkühlung Atome fast bis an den absoluten
Nullpunkt heruntergekühlt und dadurch u.a. einen Atomlaser
erzeugt hat.

bse - Thermodynamik: Laser & Bose-Einstein-Kondensat

Die Kühlung wurde dadurch erreicht, daß
Atome durch Laserstrahlen in ihrer Bewegung extrem stark verlangsamt
wurden. Durch geschickte Anordnung konnte man sogar einzelne Atome
einfangen.

Daneben ist es auch möglich Antimaterie
zu produzieren.

Erkenntnisse der Thermodynamik

Der Teil der Chemie, der sich mit Energieumsätzen
beschäftigt ist die physikalische Chemie und darin der
Bereich Thermodynamik. In
den letzten 200 Jahren hat man viele grundlegende Zusammenhänge
erkannt und die wichtigsten in sogenannten Hauptsätzen der
Thermodynamik
formuliert. Ludwig Boltzmann hat bahnbrechendes
dazu geleistet.

Der 1. Hauptsatz der
Thermodynamik
entspricht dem Energieerhaltungssatz und lautet
vereinfacht (geschlossenes System):

Energie
läßt sich weder erschaffen noch vernichten sondern nur
ineinander umwandeln (transformieren)
.

Die Gesamtenergie eines Systems U ist die Summe
aller kinetischen und potentiellen Energien seiner Teilchen.

DU
= Q + W

(U
= innere Energie = f(T,V,n); Q = Wärme; W = Arbeit
= -pdV)

Q ist die Energie, die bei einem System als Wärme
ausgetauscht wird.
W ist die Arbeit die ein System verrichten kann.

Man unterscheidet folgende thermodynamischen Systeme:

ts3 - Thermodynamik: Laser & Bose-Einstein-Kondensat

Dabei gibt es Systeme, Energie
und Materie mit der Umgebung austauschen (= offene Systeme),
andere Systeme tauschen nur Energie mit der Umgebung aus (= geschlossene
Systeme
) und solche Systeme, die weder Energie noch Materie
austauschen (= isolierte Systeme = abgeschlossene Systeme).

Beispiele für thermodynamische
Systeme:

  • offene Systeme: Turbine,
    Pumpe, Auspuff, Zellen
  • geschlossenes System:
    geschlossene Sprudelflasche, Batterie
  • abgeschlossene Systeme:

Ein solches System wird durch seine
Zustandsgrößen definiert:

Masse, Volumen, Druck,Temperatur,
Konzentration usw.

Energie
kann als die Ursache der Bewegung von Materie aufgefaßt
werden oder als die Fähigkeit Arbeit zu leisten.

Kinetische
Energie
= Bewegungsenergie;
potentielle Energie
= Energie aufgrund der Zusammensetzung oder Position eines Teilchens

(1) ESystem = (EK)System
+ (EP)System

Die Gesamtenergie (ESystem)
kann man nicht bestimmen, jedoch die Änderung der Energie ist
messbar. Für die Chemie bedeutet das:

(2) DE
= EProdukteEEdukte.

(DE
ist die Änderung der inneren Energie des Systems)

In der Chemie wird die Größe
H für Energieänderungen verwendet. DH eines
Systems = die Energieabgabe (q) bei konstantem Druck (J) und wird
Enthalpie genannt.. (Wir betrachten ja normalerweise alle
chemischen Reaktionen bei atmosphärischem Druck 1bar) : DH
= q bei konstantem Druck.

Gleichung 2 können wird
deshalb wie folgt schreiben:

DH=HProdukt
HEdukt
oder
DH=DHProdukt
DHEdukt.

Enthalpieangaben in Tabellen sind
üblicherweise in DH gemacht.

Wir wollen also in Zukunft Energieänderungen
auch in dieser Form angeben, d.h. für unser Beispiele oben
gilt:

H2 +1/2 O2
—> H2O
DH
= –

286 kJ/Mol

und

2
Mg + O2 —> 2MgO
DH=
– 601 kJ/Mol

1 Mol
eines Stoffes sind 6,02 x 1023 Teilchen.

Reaktionen,
bei denen
DH
= (-)
ist nennt man exotherme
Reaktionen

Reaktionen,
bei denen DH
= (+)
ist nennt man endotherme
Reaktionen

Der 2.
Hauptsatz
kann ebenfalls einfach formuliert werden:

Energie geht
von selbst immer von einem wärmeren
auf einen kälteren
Körper über. Es wird ein Zustand größter Unordnung
angestrebt.

heatt - Thermodynamik: Laser & Bose-Einstein-Kondensat

Betrachten Sie die 2 Metallblöcke
oben (z.B. Kupfer) Die Wärme geht von selbst (freiwillig) immer
vom wärmeren (T2) auf den kälteren (T1) über, nie
umgekehrt. (T= absolute Temperatur).

Neben dem eben beschriebenen Wärmetransfer,
der spontan in eine Richtung geht gibt es aber auch noch andere
Vorgänge, die ebenfalls spontan ablaufen, z.B. die Dissoziation
von Ammoniumnitrat:

NH4NO3
(s) —-> NH4+(aq) + NO3(aq)
D
H = + 28.1 KJ/mol

Wie man sieht, ist der Vorgang endotherm
(das Reagenzglas, indem man den Versuch macht kühlt sich ab).
Offensichtlich gibt es noch eine Energiekomponente, die diesen spontanen
Vorgang, obwohl energieverbrauchend, möglich macht. Die treibende
Kraft dabei ist das Erreichen eines Zustands größerer
Unordnung
im Gegensatz zum höchst geordneten Kristallsystem.
Man beschreibt den Ordnungzustand eines Systems mit der Größe
S = Entropie.
Feststoffe sind geordneter als Flüssigkeiten. Gase haben einen
Zustand noch größerer Unordnung.

Sfest <
Sflüssig < Sgas

Man muß also die Entropie
berücksichtigen, wenn man voraussagen will, ob eine Reaktion
freiwillig abläuft oder nicht. Demnach besteht die Enthalpie
(= die Menge Energie (Wärme oder Arbeit), die ausgetauscht
wird, wenn eine Reaktion abläuft) aus 2 Komponenten, einer
Wärmekomponente und einer Entropiekomponente:

DH
=
DG
+
TDS.

DG ist
der Teil der Enthalpie, der bei einer freiwillig ablaufenden Reaktion
frei wird. Deshalb wird DG als
freie Enthalpie bezeichnet (KJ/Mol). (T = absolute
Temperatur; DS = Entropieänderung).
Nach DG aufgelöst ergibt sich:

DG
= DH – TDS
( Gibbs – Helmholtz -Gleichung)

Eine Reaktion läuft spontan ab,
wenn DG negativ ist. Wird dann auch
noch Energie freigesetzt wird sie als exergonisch bezeichnet.
Reaktionen, die noch spontan ablaufen und keine Energie freisetzen
sind endergonische Reaktionen (DG
> 0). Reaktionen mit DG = O sind
im Gleichgewicht. Für die Dissoziation von Ammoniumnitrat beträgt
DGo = -4.0 kJ/mol.
Bei Energieumsätzen in Zellen (Biochemie) wird meist
die freie Enthalpie (DG) verwendet,
um den Energietransfer zu beschreiben, z.B. bei der Photosynthese:

6 CO2 + 6 H2O—->
6 O2 + C6H12O6 DG
= + 2882 KJ/Mol (endergonisch)

Überlegen wir nochmals, wie die
Verbrennung von Magnesium bei Normalbedingungen ( 1 bar Druck und
Standardtemperatur, 25°C) abläuft.
Space Um die Reaktion in Gang zu setzen
muß man das Magnesiumband kurz in die Flamme eines Bunsenbrenners
halten (ca. 600°C). Magnesium entzündet sich und gibt Energie
in Form einer extrem hellen und heißen Flamme (ca. 2000°C)
in Form als Licht und Wärme ab. D.h. die freiwerdene Energie
ist größer als die Anregungsenergie (=Aktivierungsenergie).
Die Energie kann nur aus den Atomen (Molekülen) der beteiligten
Stoffe kommen. Demnach liegt hier eine Umwandlung von chemischer
Energie in Licht und Wärme vor.

Diesen Vorgang kann man in einem Energiediagramm
darstellen:

 


Abb.1.40

C.H.Townes

Townes - Thermodynamik: Laser & Bose-Einstein-Kondensat


Abb.1.41

Rubinlaser

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb.1.42

Kühlung von Atomen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb.1.43

Thermodynamische Systeme

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb.1.44

2. Hauptsatz der Thermodynamik

Abb.1.45

2. Hauptsatz der Thermodynamik

2hst - Thermodynamik: Laser & Bose-Einstein-Kondensat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb.1.46

Energieverlauf bei Reaktionen

 

exot1 - Thermodynamik: Laser & Bose-Einstein-Kondensat
endot2 - Thermodynamik: Laser & Bose-Einstein-Kondensat

Umgekehrt gibt
es auch Reaktionen wie z. B. die Photosynthese in Pflanzen, die
ohne Licht als Energie nicht ablaufen. Für solche Reaktionen
sieht das Energiediagramm genau umgekehrt aus.

Erkenntnisse
und Zusammenfassung Energie und Materie

  • Energie ist Materie
    äquivalent

    (
    Einstein:
    Relativitätstheorie: E=mc2)
  • Die
    Physik ist die Grundlage der Chemie
  • Licht
    entsteht aus Atomen
  • Die
    Grundlagen für die moderne Technik wurden hauptsächlich
    im 19. Jahrhundert von den Mitteleuropäern gelegt.

 

Weiterführende
Quellen:
Laser: http://www.bell-labs.com/history/laser/laser_def.html

Atomarchiv: http://www.atomicarchive.com/main.shtml

Interaktive Physik: http://www.lightlink.com/sergey/java/index.html

Flammenfärbungen: http://library.thinkquest.org/3310/lographics/experiments/flmwatch.html

Infrarotspektroskopie: http://www.wag.caltech.edu/home/jang/genchem/infrared.htm

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