Molekulardynamische Simulationen von Verdampfung und Keimbildung von Argonclustern in Helium als Trägergas

Marc Hamacher, Dezember 2002

Es wurden molekulardynamische Simulationen von 100 Argonatomen in 900 Heliumteilchen mit dem Softwarepaket CLUSTER durchgeführt. Das Helium diente dabei sowohl als Trägergas als auch als Thermostat des Systems. Ausgehend von einem bestehenden flüssigen Cluster von 100 Argonteilchen und einer Anfangstemperatur von 40K wurden durch Temperaturerhöhung kleinere, dynamisch stabile Cluster hergestellt. Aus den dabei erzielten Ergebnissen ließen sich Dampfdrücke von Argon bei Temperaturen zwischen 46K und 52K berechnen, die mit Literaturdaten verglichen wurden. Durch eine geeignete Anpassung der simulierten Daten konnten Relaxationszeiten des Systems als Maß für die Geschwindigkeit der Verdampfung in Abhängigkeit von der eingestellten Temperatur bestimmt werden. Daraus konnte sowohl eine empirische Gleichung zur Bestimmung der dynamisch stabilen Clustergröße n_stabil bei tiefen Temperaturen als auch eine Gleichung zur Berechnung der Zahl der Teilchen im Cluster N in Abhängigkeit der Zeit t ermittelt werden. Des Weiteren wurden ausgehend von einem gasförmigen Argon/Helium-Gemisch bei 60K Temperatursprünge zu tieferen Temperaturen simuliert, um die Keimbildung des Argons zu beobachten. Aus der mittleren Dauer bis zur Keimbildung wurde eine Abschätzung der Keimbildungsrate erhalten. Schließlich wurde die Temperatur des größten Clusters im System im Vergleich zur umgebenden Gastemperatur betrachtet und versucht, einen Einblick in den Mechanismus und die mikroskopischen Bedingungen der Keimbildung zu gewinnen.