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Warum wird der Griff eines Kupferkessels heißer als
der eines Edelstahltopfes? Wie kann man die Reflexion des
Badezimmerspiegels erklären? Und warum leitet Metall den Strom so gut?
Die drei Charakteristika eines Metalls scheinen auf den ersten Blick
wenig miteinander zu tun zu haben. Tatsächlich jedoch haben sie eine
gemeinsame Ursache, die durch Paul Drude um das Jahr 1900 erstmals
beschrieben und später an die neuen Erkenntnisse der Quantenmechanik
angepasst wurde. Demnach wird die Bewegung der Elektronen durch das
Metall durch Stöße an Defekten gebremst. Die Zeitspanne, die zwischen
zwei Kollisionen vergeht, bestimmt die Eigenschaften des Metalls.
Die theoretische Beschreibung von Elektronen in
Metallen ist aufgrund ihrer enormen Anzahl jedoch schwierig: eine
typische Größenordnung ist 1023 - eine kaum vorstellbar große Zahl mit
23 Nullen. Obendrein stehen alle Teilchen miteinander und auch mit dem
Rest des Systems in Wechselwirkungen.
Neues Konzept der Elektroneneigenschaften
Hier brachte Paul Drude ein neues Konzept ein. Dem
Drude-Modell liegt die Annahme zu Grunde, dass lediglich zwei
physikalische Größen zur vollständigen Beschreibung der entscheidenden
Eigenschaften der Gesamtheit der metallischen Elektronen ausreichen:
Die eine misst die effektive Anzahl der beweglichen Elektronen, die
andere eine charakteristische Zeitdauer, die Relaxationszeit, für die
Bewegung der Elektronen. Es war nun die Idee Paul Drudes, dass alleine
die mittlere Stoßzeit das dynamische Verhalten der Elektronen
vollständig beschreibt.
Diese Einfachheit und Anschaulichkeit machte Drudes
Modell berühmt. Überprüft werden konnte die in jedem Lehrbuch der
Festkörperphysik dargestellte Theorie jedoch bis dato nicht. Dies lag
unter anderem daran, dass für typische Metalle die Stoßrate im
infraroten Spektralbereich (also bei Lichtwellenlängen von Zehntel
Millimetern) liegt, in welchem die Reflexion fast 100 Prozent beträgt.
Optische Messungen sind bei weitem nicht genau genug, um die kleinen
Abweichungen im Vergleich zu einem perfekten Spiegel zu messen. Zudem
kann die Änderung der Phase, also die geringe Verzögerung der
Lichtwelle bei der Reflexion, nicht bestimmt werden.
Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, bedienten sich
die Stuttgarter Wissenschaftler einiger Tricks. So wurde eine
metallische Legierung gewählt, die auf Grund von elektronischen
Wechselwirkungen extrem langsame Elektronen besitzt. Die Zeit zwischen
zwei Stößen ist hierbei zehntausendmal länger. Folglich verschiebt
sich die charakteristische Stoßrate in den Bereich der Mikrowellen, wo
sehr genaue Messgeräte zur Verfügung stehen, um die elektrischen
Eigenschaften in einem großen Spektralbereich zu bestimmen.
In jahrelanger Arbeit wurde am Stuttgarter
Physikalischen Institut eine spezielle Mikrowellenapparatur
entwickelt, die es erlaubt, bei Temperaturen nahe dem absoluten
Nullpunkt von -273°C Präzisionsmessungen zu machen, hundertmal genauer
als dies bisher möglich war. Um die Empfindlichkeit weiter zu
steigern, wurden in Zusammenarbeit mit der Universität Mainz dünne
Filme dieser Legierung hergestellt. Bei sehr tiefen Temperaturen wird
dieses Metall supraleitend, was ideal zu Kalibrierung der
Messvorrichtung ist.
Die Untersuchungen der Stuttgarter Physiker
bestätigten exakt den Verlauf, den Paul Drude vor über hundert Jahren
vorhergesagt hatte. "Es ist wichtig, zu zeigen, dass die klassischen
Modelle auch auf komplexe Materialien angewandt werden können, wenn
man sie nur richtig liest", betont Prof. Martin Dressel vom 1.
Physikalischen Institut der Uni. "Zudem haben wir uns die
experimentellen Techniken geschaffen, um physikalische Systeme zu
untersuchen, wo dies nicht mehr möglich ist." Hierzu gehören
beispielsweise eindimensionale Metalle, das heißt atomare Drähte. |
