Homogene Keimbildung von H2O und D2O

Judith Wölk, Mai 2001

Unter Verwendung einer Nukleationspulskammer und einer Überschalldüse wurde die unäre und binäre Keimbildung von leichtem (H2O) und schwerem (D2O) Wasser untersucht. Der Vergleich der unären Keimbildungsraten J als Funktion des tatsächlichen Dampfdruckes pv zeigt, daß für D2O ein um einen Faktor 3000 niedrigerer Dampfdruck benötigt wird, um unter gleichen Temperaturbedingungen wie H2O zu keimen. Werden die experimentellen Keimbildungsraten J jedoch als Funktion der Übersättigung S betrachtet, so stimmen sie im Rahmen des Meßfehlers überein. Die klassische Keimbildungstheorie nach Becker und Döring beschreibt recht gut die experimentell erhaltenen Keimbildungsraten, und bei 240 K stimmen die Vorhersagen sogar quantitativ überein. Allerdings zeigt sie im Vergleich mit den experimentellen Daten einen stärkeren Temperaturgang. Im Gegensatz dazu liefert die Girshick-Chiu Theorie einen verbesserten Temperaturgang, sagt aber Raten voraus, die um einen Faktor von 7000 zu hoch liegen. Die nach dem Keimbildungstheorem von Kashchiev aus den Steigungen der experimentellen J-S-Kurven ermittelten Teilchenzahlen n* im kritischen Cluster sind für beide isotopen Verbindungen nahezu identisch. Ein Vergleich mit den nach Gibbs-Thomson berechneten Molekülzahlen zeigt eine erstaunlich gute Übereinstimmung und unterstützt die Gültigkeit der Gibbs-Thomson Gleichung. Für das binäre H2O-D2O System wurde sowohl mit der Nukleationspulskammer als auch mit der Überschalldüse ein ideales Verhalten gefunden. Während die Messungen mit der Nukleationspulskammer zeigen, daß die Zahl der Moleküle im kritischen Cluster für alle untersuchten Mischungen identisch ist, liefert die Kombination der Düsen Experimente mit SANS Informationen über die Teilchenzahldichte N, den Radius <r> und die Polydispersität pd des hergestellten Aerosols. Auf Basis beider Experimente konnte eine empirische Formel entwickelt werden, die es erlaubt, Keimbildungsraten für einen Temperaturbereich von 200 < T / K < 270 und einer Übersättigung von 5 < S > 200 über einen weiten Bereich (10⁵ < J / cm^-3s^-1;1 < 10¹⁷) zu berechnen.</r>