a. Was ist Kondensation?
Das scheint eine eher dumme Frage zu sein. Jeder weiß, dass Wasser auf einer kalten Oberfläche kondensiert. Doch warum ist das so?
Jeder dürfte die am häufigsten vorkommenden Phasen von Wasser kennen: gasförmig, flüssig und fest. Einigen düfte auch das Phasendiagramm von Wasser bekannt sein.
Es gibt an, unter welchen Bedingungen (Druck, Temperatur) welche Phase auftritt. Und welche Bedingungen geändert werden müssen um eine Änderung der Phase zu bewirken.
Man kann leicht erkennen, dass die unterschiedlichen Phasen lediglich durch dünne Linien voneinander getrennt sind. Das bedeutet, dass, in der Nähe einer solchen Linie, bereits eine winzige Änderung des Drucks oder der Temperatur ausreicht um, zum Beispiel, den Übergang von der gasförmigen in die flüssige Phase zu machen.
Das ist genau der Mechanismus der bewirkt, dass Wasser an einer kalten Oberfläche kondensiert. Gasförmiges Wasser, welches einen Teil unserer Atmosphäre darstellt, kommt mit einer kalten Oberfläche in Berührung und macht, aufgrund der kleinen Temperaturreduktion, einen Übergang von der gasförmigen in die flüssige Phase.
Doch was genau passiert mit dem Wasser während dieses Phasenübergangs?
Werden Eigenschaften (z.B. Dichte) eines Stoffes (z.B. Wasser) sehr stark Verändert wenn man einen äußeren Parameter (z.B. Temperatur) lediglich leicht ändert, so spricht man von einem Phasenübergang.
Wenn Wasser seine Phase ändert, erfahren mehrer physikalische Parameter eine substanzielle Änderung. Zum Beispiel erhöht sich die Massendichte um mehrere Größenordnungen wenn Wasser seinen Zustand von gasförmig zu flüssig ändert. Dabei wird, unter Umständen, eine Temperturänderung von lediglich wenigen Millikelvin benötigt. Eine andere Parameteränderung betrifft die Viskosität. Die Viskosität von gasförmigen Wasser ist fast Null, diejenige von flüssigem Wasser beträgt 1 Pa·s, wärend Eis eine nahezu unendlich hohe Viskosität aufweist. Man könnte diese Liste noch fortführen, doch das würde über das Ziel hinausschießen.
Zusammengefasst kann man sagen, dass die Kondensation einen speziellen Phasenübergang darstellt.
In der Physik sind noch viele ander Phasenübergänge bekannt. Wenn man einen Ferromagneten über eine bestimmte Temperatur, genannt Curie Temperatur, hinaus erhitzt, verliert er seinen Ferromagnetismus. In anderen Worten: Der Ferromagnet macht einen Phasenübergang vom ferromagnetischen in den paramagnetischen Zustand, in dem er nur in Anwesenheit eines externen magnetischen Feldes magnetisch wird.
Ein exotischerer Phasenübergang tritt ein, wenn man bestimmte Materialien, genannt Supraleiter, bis zu einer bestimmten Temperatur abkühlt. Diese Materialien verlieren dann ihren elektrischen Widerstand vollständig. Nur um es noch einmal zu verdeutlichen: Der Widerstand wird nicht etwa nur sehr klein, Nein er wird wirklich Null! Also macht ein supraleitendes Material einen Übergang vom Normalleitenden Zustand mit endlichem Widerstand in den supraleitenden Zustand ohne Widerstand. All dies geschieht in einem Temperaturbereich von wenigen Millikelvin.
Folglich ist die Bose-Einstein Kondensation ein spezieller Phasenübergang in einem bestimmten Stoff.
Wenn man von Stoffen spricht, so meint man immer eine Ansammlung von sehr vielen, typischerweise 1024 Atomen; Große Ansammlungen von Atomen werden in der modernen Physik mithilfe der statistischen Mechanik behandelt.
Will man also die Bose Einstein Kondensation verstehen, so muss man sich Fragen: