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Beitrag von Michael Niebling (Isolde-Kurz-Gymnasium Reutlingen),
erstellt am Fr, 9.01.1998 14:48 (Geändert: So, 5.11.2000 20:09)
Kategorie: Physik | Klassenstufe: Alle
Nobelpreis in Physik
In der Forschung werden spätestens seit der Entdeckung von
Supraleitern immer niedrigere Temperaturen benötigt. Man
versucht die Materie auf eine Temperatur abzukühlen, die so nah wie möglich an den absoluten Nullpunkt von 0 Kelvin ( d.h. -273,15°C ) herankommt.
Der im Jahre 1917 von Albert Einstein entdeckte Effekt, daß ein molekulares
Gas, vereinfacht gesagt, durch Licht in seiner Temperatur beeinflusst werden kann, war Ausgangspunkt für das Forschungsprojekt der internationalen Wissenschaftler Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William D. Phillips.
Die Temperaturveränderung ist im Normalfall eine Temperaturerhöhung, da z.B.
das Licht einer Glühbirne molekulares Gas auf eine Temperatur von über 1000°C
aufheizen würde. Dabei wird die Geschwindigkeit der einzelnen Teilchen erhöht.
Man geht hier davon aus, daß beim Auftreffen von einem Photon (man kann sich
das Licht als Teilchenstrom vorstellen, d.h. ein Lichtteilchen entspricht
einem Photon) auf ein Teilchen nicht nur Energie sondern auch ein Impuls übertragen wird, also ein Stoß, der die Geschwindigkeit des Teilchens ändert und damit die Temperatur.
Dieser Vorgang kann jedoch nur stattfinden, wenn die Frequenz des Lichts innerhalb der Absorptionsfrequenz der Teilchen liegt. Die von Teilchen zu Teilchen unterschiedliche
Absorptionsfrequenz macht man sich z.B. bei der Röntgenuntersuchung zunutze.
D.h. ein Teilchen erhält nur einen Impuls, wenn es auf ein Photon trifft,
das im Rahmen der Absorptionsfrequenz liegt. Ein Beispiel wäre ein schwarzes Blech, das Sonnenlicht aufnimmt also absorpiert und die Lichtenergie in Wärme umwandelt, im Gegensatz zu einem weißen Blech, das das Licht weitgehend reflektiert.
Um auf die Temperatur eines molekularen Gases gezielt zu erniedrigen, ist
eine vielfrequente Lichtquelle wie eine Glühbirne unbrauchbar.
Deshalb verwenden die Wissenschaftler bei der Kühlung Laserlicht. Ein Laser ist eine Lichtquelle, die ein streng einfarbiges Licht bereitstellt d.h. das Licht wird nur in einer Frequenz ausgesendet.
Der Kühlvorgang basiert auf dem Phänomen des Doppler-Effekt. Dieses Phänomen tritt immer im Zusammenhang eines bewegten Beobachters in Hinblick auf eine ruhende Schwingungsquelle, oder einer bewegten Schwingungsquelle in Bezug auf einen ruhenden Beobachter auf.
In unserem Fall wird das Teilchen im Gas als Beobachter interpretiert.
Bewegt sich das Teilchen nun im Vergleich zu der Laserlichtquelle, so verändert sich die Frequenz des Lichtes aus Sicht des Teilchens.
Bewegt sich ein Teilchen auf diese Lichtquelle zu, so würde es eine höhere
Frequenz erfahren, als ein Teilchen, welches sich von der Lichtquelle
entfernt.
Bei Laserlicht, daß knapp unterhalb der Absorptionsfrequenz der Gasteilchen
liegt, erfärt also ein Teilchen, das sich auf die Lichtquelle zubewegt eine
höhere Frequenz und kann dadurch das Licht absorpieren. Der damit verbundene
Impuls bremst das Teilchen ab.
Zwar gibt das Teilchen die bei dem Zusammentreffen mit einem Photon
aufgenommene Energie wieder ab, doch erfolgt der damit verbundene Rückstoß
in eine beliebige Richtung und gleicht sich für unendlich viele Teilchen aus.
Dieser Prozeß würde ermöglichen, Gase auf Temperaturen von 0,2 tausendstel Kelvin abzukühlen. Eine Umsetzung in die Praxis gelang den genannten Forschern jedoch erst in den letzten Jahren. Durch eine Anordnung von sechs Laserstrahlen in Form eines Sechsecks gelang der Durchbruch.
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