Keimbildung und Tröpfchenwachstum in übersättigtem Argon-Dampf

Alexander Fladerer, Juni 2002

Messungen homogener Keunbildungsraten von Flüssigkeitströpfchen aus der Dampfphase als Funktion der Übersättigung zeigen eine schwächere Temperaturabhängigkeit als von der klassischen Keimbildungstheorie vorhergesagt. Neuere theoretische Ansätze auf Basis von Dichtefunktionalen sind bisher auf die Beschreibung von einfachen Systemen - wie z.B. Edelgasen - beschränkt. Quantitative Experimente zur Kondensation von Edelgasen existieren bisher nicht. Die physiko-chemischen Eigenschaften wie Dichte, Oberflächenspannung, Dampfdruck usw. sind dagegen gut bekannt. Dafür wurde eine kryogene Nukleationspulskammer zur Messung der homogenen Keimbildung von Argon konstruiert. Wie die Messungen zeigen, ist die Wachstumsgeschwindigkeit bei den Keimbildungsbedingungen von Argon sehr schnell, so dass Keimbildung und Wachstum zunächst nihct entkoppelt werden konnten. Die Messungen erlauben trotzdem eine Abschätzung der Keimbildungsrate zu J=10⁷cm^-3s^-1 im Temperaturbereich von 52 < T / K < 59 und Übersättigungen um S=10. Damit weisen diese Experimente trotz ihrer vorläufigen Natur auf ein völliges Versagen der klassischen Keimbildungstheorie hin, die für den genannten Bedingungen Keimbildungsraten im Bereich 10^-35 bis 10^-20cm^-3s^-1 vorhersagt. Interesanterweise kann auch die Dichtefunktionaltheorie diese Diskrepanz nur teilweise erklären. Im Verlauf der Experimente wurden Wachstumskurven von Argontröpfchen aus den gemessenen MIE-Streukurven gewonnen. Die gute Übereinstimmung von Modellrechnungen mit experimentellen Wachstumskurven erlaubt eine nahezu quantitative Beschreibung des experimentellen Lichtstreusignals. Dabei ergibt sich eine Abschätzung der Tröpfchenzahldichte und der Polydispersität der Tröpfchenpopulation.