Physikalische Chemie

Vakuum

In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit dem Vakuum. Du erfährst unter anderem was es ist und wo es genutzt wird.

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Inhaltsübersicht

Vakuum einfach erklärt

Die Bezeichnung Vakuum hat verschiedene Definitionen. In der theoretischen Physik wird damit meist ein Raum ohne Materie bezeichnet. Im Ingenieurwesen oder der angewandten Physik wird damit stattdessen ein Raum bezeichnet, in dem der Druck deutlich geringer als der atmosphärische Druck ist.

Eine „natürliche Quelle“ eines Vakuums ist der Weltall. Dieser fällt in die zweite Definition. Auch wenn du im Weltall den Eindruck erhältst, dass keine Materie vorhanden ist, so befinden sich in jedem Kubikmeter ein paar Wasserstoffatome. 

Im täglichen Alltag kannst du auf Vakua in Form von Staubsaugern oder Vakuumverpackungen treffen. In der Forschung hingegen sind Vakua für Elektronenmikroskope, Teilchenbeschleuniger oder empfindliche Detektoren von entscheidender Bedeutung. 

Was ist ein Vakuum

In diesem Abschnitt schauen wir uns an, was du unter Vakuum verstehen kannst, welche Eigenschaften diesem zugeordnet werden können und wie es erzeugt werden kann.

Vakuum Definition

Wir betrachten zwei verschiedene Definition des Vakuums: Einem „idealen“ oder „perfekten“ und einem „realen“ oder „technischen“. 

Definition: Ideales/Perfektes Vakuum (Theoretische Physik)

Ein Vakuum ist ein Raum ohne Materie.

Was genau bedeutet „ohne Materie“? Darunter zählen nicht nur Atome oder Moleküle, sondern auch jegliche Form elektromagnetischer Strahlung (wie etwa das der Sonne oder die Wärmestrahlung eines Körpers mit einer Temperatur größer als Null Kelvin) oder Teilchenstrahlung (wie etwa Neutrinos). Diese Art des Vakuums hat vor allem in der theoretischen Physik seine Anwendung als ein theoretisches Modell.

Definition: Reales/Technisches Vakuum (Angewandte Physik)

Jeder Raum, in dem der Druck deutlich geringer als der atmosphärische Druck ist.

Für „deutlich gering“ gibt es keine festgelegte Grenze. Stattdessen gibt es unterschiedliche Bezeichnungen, je nachdem wie das Verhältnis zwischen dem Druck in diesem Vakuum und dem atmosphärischen Druck ist. Je kleiner dieses Verhältnis ist, umso näher kommt das technische Vakuum dem idealen Vakuum. Weiter unten geben wir dir dazu eine übersichtliche Tabelle.

Vakuum Eigenschaften

Die Eigenschaften eines Vakuums besprechen wir anhand des idealen Vakuums.

Wellenausbreitung

Mechanische Wellen%verlinken, wie etwa Schall- oder Wasserwellen, benötigen für ihre Ausbreitung Materie. Da sich in einem perfekten Vakuum per Definition keine Materie befindet, können sich innerhalb eines solchen Vakuums keine mechanischen Wellen ausbreiten.

Dielektrizitätskonstante, Permeabilität und Lichtgeschwindigkeit

In der Elektrodynamik (ein Teilbereich der theoretische Physik) ist das perfekte Vakuum ein häufig verwendetes Modell eines Raums, in dem elektromagnetische Effekte (wie elektrische und magnetische Felder oder die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ) behandelt werden. 

Hierfür entscheidende Eigenschaften des idealen Vakuums sind 

(1) Die Dielektrizitätskonstante (auch Permittivität genannt) des Vakuums, abgekürzt mit \epsilon_0, besitzt den Wert

\epsilon_0 = 8,854 \ 187 \ 812 \ 8(13) \cdot 10^{-12} \ \mathsf{\frac{A \cdot s}{V \cdot m}};

(2) Die Permeabilität (auch magnetische Feldkonstante genannt) des Vakuums, abgekürzt mit \mu_0, besitzt den Wert

\mu_0 = 1,256 \ 637 \ 062 \ 12(19) \cdot 10^{-6} \ \mathsf{\frac{N}{A^2}};

(3) Licht ist eine elektromagnetische Welle und kann sich daher auch im Vakuum ausbreiten. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt dabei

c = 299 \ 792 \ 458 \ \mathsf{\frac{m}{s}}.

Vakuumpumpe und Vakuum erzeugen

Die Definition des Vakuums als ein Raum ohne Materie gibt dir bereits einen Hinweis, wie es erzeugt werden kann: Die Materie in einem Raum muss entfernt werden.

Dazu werden verschiedenen Formen von Vakuumpumpen verwendet. Unabhängig von der Bauform und Funktionsweise haben sie als Ziel, so viel Materie wie möglich aus einem Raum abzupumpen. In Kombination dazu werden auch hohe Temperaturen in einem Bereich von etwa 130°C bis 200°C verwendet.

Die Dauer der Erzeugung eines Vakuums hängt von seiner Qualität ab, also wie es an ein ideales Vakuum herankommt. Der Prozess kann von wenigen Minuten zu Stunden bis hin zu mehreren Tagen oder Wochen dauern. 

Hochvakuum und Ultrahochvakuum

Für die Erzeugung eines Hochvakuums wird eine Kombination aus mechanischen Vakuumpumpen und direkte Heizung in einem Temperaturbereich von 130°C bis 200°C verwendet. 

Mit nicht-mechanischen Pumpen, sogenannten Ionengetterpumpen und Titansublimationspumpen, kann der Druck weiter reduziert werden, um ein Ultrahochvakuum zu erreichen.

Durch Kühlfallen kann der Druck auf dem Druckbereich des extrem hohen Vakuums verringert werden. 

Vakuum Druckbereiche

In einem idealen Vakuum herrscht ein Druck von 0 Pascal. Bei technischen Vakua ist der herrschende Druck nicht eindeutig definiert. Stattdessen findest du für verschiedene Druckbereiche unterschiedliche Bezeichnungen. Diese Druckbereiche sind in der folgenden Tabelle mit Beispielen aufgelistet:

Qualität des Vakuums Druckbereich (in Pascal (Pa)) Beispiel
Normaldruck/Atmosphärischer Druck 1,013 \cdot 10^5 Umgebende Luft
Grobvakuum 1 \cdot 10^5 bis 3 \cdot 10^3 alte Glühlampen
Feinvakuum 3 \cdot 10^3 bis 1 \cdot 10^{-1} moderne Präzisionspendeluhren
Hochvakuum (HV) 1 \cdot 10^{-1} bis 1 \cdot 10^{-7} Teilchenbeschleuniger, Elektronenmikroskop
Ultrahochvakuum (UHV) 1 \cdot 10^{-7} bis 1 \cdot 10^{-10} Gravitationswellendetektor, Teilchenbeschleuniger
extrem hohes Vakuum (XHV) < 1 \cdot 10^{-10} Weltraum, kryogene Vakuumkammern
Weltraum 1 \cdot 10^{-4} bis 3 \cdot 10^{-15}
ideales Vakuum 0

Vakuum Anwendung

Vakua finden in unterschiedlichen Bereichen ihre Anwendung.

  • Im täglichen Alltag in Form von Staubsaugern oder Vakuumverpackungen;
  • In der Industrie finden Vakua beispielsweise in der Entgasung, Gefriertrocknung oder Wärmebehandlung von Metallen ihre Anwendung;
  • In der Forschung werden Vakua in Elektronenmikroskope, Teilchenbeschleuniger oder Detektoren verwendet.

 Je nach Anwendungsgebiet unterscheidet sich die geforderte Qualität des Vakuums. Für Vakuumverpackungen reicht zum Beispiel ein Grobvakuum, während für Teilchenbeschleuniger Hoch- oder Ultrachochvakua benötigt werden.

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