H13 Vakuum

Motivation

Die Abwesenheit von Materie im leeren Raum bezeichnen wir als Vakuum. Die Vorstellung von Raum ohne Materie wurde sowohl von Platon, als auch von Aristoteles, der eine "Abneigung der Natur gegen das Leere" postulierte, die später als horror vacui bekannt wurde, abgelehnt. Auch Descarte, der Namensgeber unseres kartesischen Koordinatensystems, war davon überzeugt, dass es "keinen materiefreien Raum geben könne". Die Überzeugungen solcher Autoritäten der frühen Wissenschaft wurden nur mühsam, im Laufe der Renaissance, durch Experimente widerlegt. Das erste von Menschen geschaffene Vakuum ist 1644 von Evangelista Torricelli überliefert. Populär wurden die 1657 publikumswirksam von Otto von Guericke in Szene gesetzten Experimente mit den evakuierten Magdeburger Halbkugeln. Noch bis zum Scheitern des berühmt gewordenen Michelson-Morley Experiments war man von der Existenz eines allumfassenden Äthers überzeugt, der den somit "nicht-leeren" Raum ausfüllen und in dem sich das Licht ausbreiten sollte. Der Ausgang des Rutherford-Experiments deutete schließlich darauf hin, dass sich zwischen dem Atomkern, auf den sich die gesamte Masse des Atoms konzentriert und seiner Hülle im wesentlichen nichts befindet. Heute würden wir selbst einen von aller Materie befreiten Raum nicht (mehr) als "leer" bezeichnen, weil er sowohl elektromagnetische Strahlung, Gravitationswellen, als auch allgemeine Quantenfluktuation beinhalten kann, die z.B. durch den Casimir-Effekt wirklich nachweisbar und messbar sind. Im bekannten Universum gibt es kein vollständiges Vakuum. Insofern mögen die Autoritäten der Antike und beginnenden Renaissance schließlich doch recht behalten haben.

Heutzutage ist Vakuum vor allem von technischer Bedeutung. Es schafft wichtige Voraussetzungen in Industrie und Technik, zur Konservierung von Lebensmitteln und in der Forschung. Man unterscheidet zwischen Grob-, Fein-, Hoch- und Ultrahochvakuum. Im interplanetaren Raum herrscht ein Vakuum mit Drücken von \(\lt 10^{-18}\,\mathrm{mbar}\) vor. In der Strahlröhre des LHC am CERN in Genf oder im Vakuumtank des KATRIN Experiments herrschen Vakua mit Drücken von \(\lt 10^{-10}\,\mathrm{mbar}\) vor.

Lernziele

Wir listen im Folgenden auf, was wir von Ihnen erwarten, nachdem Sie diesen Versuch erfolgreich absolviert haben:

✅ Sie haben Einblick in die Methoden zur Erzeugung von Vakua.
✅ Sie können mit einer Vakuumapparatur umgehen und einfache Experimente im Vakuum durchführen.
✅ Sie sind mit den grundlegenden Begriffen der Vakuumtechnik, wie Saugvermögen, Saugleistung, Leitwert vertraut.
✅ Sie festigen Ihr Verständnis des Begriffs der mittleren freien Weglänge.

Versuchsaufbau

Eine Schaltskizze der für den Versuch relevanten Elemente mit Legende der verwendeten Symbole ist in Abb. 1 gezeigt:

Einen typischer Aufbau der Apparatur für diesen Versuch ist in Abb. 2 gezeigt:

Das Herzstück der Apparatur ist der zu evakuierende Behälter, der Rezipient (RZ). Er besteht aus einer Glasglocke (mit \(220\ \mathrm{mm}\) Durchmesser und \(250\ \mathrm{mm}\) Höhe) auf einem Metallteller mit Gummidichtung. Im RZ befinden sich zwei elektrisch aufladbare Kugelelektroden (KE) und ein durch Wechselstrom direkt elektrisch beheizbares Verdampferschiffchen (VS) für die Experimente aus Aufgabe 3. Über Schläuche und Rohre sind eine Turbomolekular- (TMP) und eine Drehschieberpumpe (DSP) mit dem RZ befunden. Sie verwenden die DSP u.a. dazu für den Einsatz der TMP ein Vorvakuum zu erzeugen. Ein Metallwellschlauch (L) lässt sich, durch ein dünnes Rohr ersetzen, für das Sie den Leitwert bestimmen sollen. An verschiedenen Stellen befinden sich Ventile (V1 bis V3), dedizierte Belüftungsventile (B1 und B2) und Vakuummeter (T1 bis T3 und IM) mit geeigneten Messbereichen zur Bestimmung und Kontrolle des Drucks in der Apparatur. Der erreichbare minimale Druck im RZ ist durch Lecks und Gasabgabe von den Wänden des Behälters und durch das Saugvermögen der Pumpe(n) begrenzt.

Was macht diesen Versuch aus?

Die Physik des Vakuums ist die Strömungsmechanik. Sie wird, unter sehr idealisierten Bedingungen aus dem Lehrbuch, durch die Laplace-Gleichung und, unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen der strömenden Teilchen untereinander, durch die Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben.

Die Navier-Stokes-Gleichungen können i.a. nicht analytisch, geschlossen gelöst werden. Die Physik des Vakuums wird dadurch weiter erschwert, dass sich das physikalische Verhalten des strömenden Mediums (auch Fluid genannt) als Funktion der Dichte der Teilchen aus denen es besteht verändert. Schließlich gehen, mehr noch als bei jedem anderen physikalischen Experiment, die Beschaffenheit und Eigenschaften des Versuchsaufbaus wesentlich in die Messungen ein. Dies führt dazu, dass Messungen am Versuchsaufbau üblicherweise durch mehrere Effekte gleichzeitig beeinflusst werden. Gut kontrollierte Randbedingungen lassen sich nur unter großem Aufwand herstellen. Daher sind die Messungen, die Sie im Rahmen dieses Versuchs durchführen eher qualitativer Natur: effektive Saugleistungen und Strömungsleitwerte sind Größen, die man eher am Experiment misst, als sie aus theoretischen Modellen abzuleiten.

Wichtige Hinweise

🚨 Die evakuierte Glasglocke könnte implodieren. Obwohl wir für diesen Versuch eine splittergeschützte Glasglocke verwenden sind Sie verpflichtet, bei der Arbeit an der evakuierten Apparatur, zum Schutz Ihrer Augen eine Schutzbrille zu tragen.
🚨 Die hier aufgebaute Apparatur ist sehr empfindlich. Bei fehlerhafter Handhabung können teure Schäden entstehen. Die einzelnen Versuchsteile dürfen daher nur nach Rücksprache mit dem/der Tutor:in gestartet werden.
🚨 Bei Arbeiten am RZ, decken Sie, um Verunreinigungen der Apparatur zu vermeiden, die Pumpenöffnung mit der bereitliegenden Plastikkappe ab. Vor dem Verbinden von Bauteilen mit Hilfe von Dichtungsringen sollten Sie die Ringe und Dichtflächen sorgfältig reinigen.
🚨 Die TMP darf nur bei einem Vorvakuumdruck von weniger als \(\lesssim0.1\ \mathrm{mbar}\) eingeschaltet werden. Die Apparatur darf erst dann belüftet werden, wenn der Rotor nach dem Abschalten völlig zum Stillstand gekommen ist. Dies dauert einige Minuten. Ein Lufteinbruch solange der Rotor sich noch bewegt kann die Pumpe zerstören.