Effusion (Physik)

Als Effusion (von lat. Effusio, Ausgießung) werden solche physikalischen Vorgängen bezeichnet, bei denen Stoffe, meistens Gase, aber auch Flüssigkeiten, ein geschlossenes Behältnis verlassen, indem sie durch dessen Molekulargitter hindurch wandern, wobei sie dieses Atom für Atom oder Molekül tun. Dafür müssen diese offenbar hinreichend "klein" sein, aber auch über eine passende räumliche Geometrie und Ladungsverteilung verfügen (siehe auch Van-der-Waals-Kräfte). Dabei sollte der Durchmesser der molekularen "Öffnungen" klein sein im Vergleich zur mittleren freien Weglänge (siehe auch Brownsche Molekularbewegung) eines effundierenden Moleküls. Andernfalls hätte man nämlich eine gewöhnliche Undichtigkeit, durch die sich Gase und Flüssigkeiten diffusiv verteilen oder vermischen, was nach deutlich anderen physikalischen Regeln abläuft, als die Effusion. Im Gegensatz zur Diffusion, auch der Transfusion durch eine semipermeable Membran, verläuft ein Partikelstrom bei der Effusion nur in eine Richtung und die Effusion endet nach hinreichend langer Zeit in der Regel mit einer völligen Entleerung des Behältnisses.

Bekannte Beispiele

• Aus der Luftschifffahrt ist geläufig, daß viele wasserstoffgefüllte Auftriebskörper ihre Gasfüllung allmählich verlieren, ja
• für Heliumgas gibt es überhaupt keine effusionssicheren und damit dichten Gefäße bei normalen irdischen Bedingungen.
• Manche aromatischen Kohlenwasserstoffe aus Kraftstoffen, wie Benzin, Diesel, Kerosin, effundieren bei Wänden aus bestimmten Kunststoffen aus Tanks oder Kanistern in die Luft, was schon zu Unfällen durch „benebelte“ Autofahrer führte, die ihrer intoxierenden Wirkung zu lange ausgesetzt waren und auch die Explosionsgefahr in der Nähe ungeeigneter Gefäße gefährlich erhöht.
• Bei der im Ultrahochvakuum (UHV) stattfindenden Molekularstrahlepitaxie (MBE) dienen Effusionszellen zur Bereitstellung des Materialflusses. Sie enthalten eine Schmelze, die bis über 1000 Grad (z.B. Gallium bei GaAs-MBE) erhitzt werden. Der Partialdruck und damit der Materialfluss sind eine Funktion der Temperatur. Die Tiegel, die aus einem hochschmelzenden Material (z.B. Bornitrid) bestehen müssen, werden elektrisch beheizt und haben eine Austrittsöffnung.

Gesetzmäßigkeiten

Die Geschwindigkeit, mit der unterschiedliche Gase effundieren, hängt bei sonst gleichen Rahmenbedingungen vom Atom- oder Moleküldurchmesser ab, je kleiner der ist, desto schneller effundiert die Substanz.

In der Nähe des absoluten Nullpunkts der Temperatur herrschen besondere Bedingungen, die die Effusion u.a. durch das Fehlen thermischer Molekularbewegungen erheblich erleichtern.

Die von Evangelista Torricelli um 1644 beschriebene hydrodynamische Regel, Torricellis Theorem oder auch der Torricellische Lehrsatz genannt, beschreibt in ihrer ursprünglichen Fassung die Effusion - um die es ihm auch nicht ging - nicht korrekt, spätere Fassungen jedoch, die 'sehr dicke Wände' und 'kleine Auslaßöffnungen' usw. berücksichtigen, kommen ihr relativ nahe.

Siehe hierzu auch: Ausflußgeschwindigkeit

Das von Thomas Graham noch ohne Kenntnis von atomaren oder molekularen Strukturen und Zusammenhängen gefundene und 1833 veröffentlichte Grahamsche Gesetz sagt, daß die Ausflußgeschwindigkeiten unterschiedlicher Gase bei gleichem Druck den Quadratwurzeln aus ihren Dichten umgekehrt proportional sind. Es gilt recht genau auch für die Effusion von Flüssigkeiten und Gasen, da die Dichte eine Funktion der Molekularmasse ist und dieses eine gute Annäherung an den (durchschnittlichen) Moleküldurchmesser darstellt, zudem gehorchen in der Phase des Durchgangs durch die Wand selbst Nicht-Gase und Stoffe geringster Viskosität den Gasgesetzen, weil und solange sie sich in diesem Bereich als isolierte Atome oder Moleküle bewegen, die im wesentlichen ohne Nachbarn sind.

Siehe auch: Diffusion, Isoliergefäß, Superfluidität