Hochdruckphysik

Hoch|druck|phy|sik 〈f.; -; unz.〉 = Höchstdruckphysik

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Hochdruckphysik,

 

Teilgebiet der Physik, das sich mit den physikalischen Eigenschaften und Umwandlungen der Stoffe bei extrem hohen Drücken befasst. Dabei können die Stoffeigenschaften, wie die atomaren Abstände, die Elektronenstruktur und die Gitterdynamik in Festkörpern, erheblich von den Eigenschaften oder dem Verhalten unter Normalbedingungen abweichen, z. B. zeigen bestimmte Gase bei hohen Drücken metallische Eigenschaften (metallische Gase).

 

Die Druckerzeugung für Laboruntersuchungen erfolgt in der Regel statisch mit Druckschrauben, hydraulische Pressen und Ventildruckpressen. Damit kann man Flüssigkeitsdrücke bis etwa 500 MPa aufbauen. Durch die Auswahl und Behandlung spezieller Materialien (z. B. Sinterhartmetalle) und geeigneter konstruktiver Ausführung, z. B. Ineinanderschachtelung mehrerer Hochdruckapparate, Aufbringen von unter starker Vorspannung stehenden Ringen, Ausüben von starkem Druck auf die Außenwände, lassen sich Drücke bis etwa 50 GPa erreichen. - Noch höhere Drücke (bis 1 000 GPa) werden dynamisch in Stoßwellen erzeugt, die durch Detonationen, Aufprall von Geschossen oder Laserimpulse ausgelöst werden. Druck, Temperatur u. a. Messgrößen müssen dabei mittels Kurzzeitmesstechnik bestimmt werden.

 

Von besonderer Bedeutung für die Hochdruckphysik war die Entwicklung der Hochdruckzellen mit Diamantstempeln (Diamantstempelzelle). Zwischen zwei völlig plan geschliffene und exakt justierte Diamantflächen wird eine etwa 100 μm dicke Metallscheibe mit einer Bohrung von etwa 200 μm Durchmesser gelegt. Der Raum dieser Bohrung ist die eigentliche Hochdruckzelle. Die Materialprobe und einen winzigen Rubinsplitter zur Druckmessung deponiert man in dieser Bohrung. Der Diamantoberstempel wird aufgesetzt, nachdem man noch einen Tropfen Spezialflüssigkeit, z. B. flüssiges Xenon, für den Aufbau des hydrostatischen Drucks eingespritzt hat. Die Lichtdurchlässigkeit der Diamantstempel erlaubt optische und spektrometrische Untersuchungen der Probe nach dem Aufbau extrem hoher Drücke. Die Druckmessung erfolgt indirekt über die druckabhängige Verschiebung der Fluoreszenzlinien des Rubinsplitters zu größeren Wellenlängen hin. - Besondere Ergebnisse der Hochdruckphysik waren u. a. die Synthese künstlicher Diamanten (1954), d. h. die Phasenumwandlung von Graphit in Diamant(splitter) bei etwa 10 GPa und 4 000 ºC sowie der mit dynamischen Verfahren erfolgte Nachweis (1996), dass flüssiger Wasserstoff oberhalb von 100 GPa ein Metall ist.

 

Die Hochdruckphysik liefert Erkenntnisse zur Zustandsgleichung von Stoffen, zu Phasenumwandlungen, Viskosität und Plastizität sowie zum elektrischen und optischen Verhalten. In der Geologie und Geochemie werden die Methoden der Hochdruckphysik z. B. zur Charakterisierung des Druck-Temperatur-Verhaltens von Gesteinen angewandt, die dem von der Erdkruste über den -mantel bis zum -kern auf über 1 000 GPa ansteigenden Druck unterliegen.