Vakuum

Als Vakuum bezeichnet man einen gasgefüllten (luftgefüllten) Raum mit einem Druck unterhalb des normalen Luftdruckes von 1013,25 hPa. Je nach dem Druck wird dabei zwischen Grobvakuum, Feinvakuum, Hochvakuum und Ultrahochvakuum (Höchstvakuum) unterschieden. Erzeugen kann man ein Vakuum mithilfe von Vakuumpumpen.

Historisches

Die Frage nach dem leeren Raum ist eine der ältesten naturwissenschaftlichen Fragen, die die Physik auch heute noch beschäftigt. Wahrscheinlich wurde diese Frage schon von griechischen Philosophen vor über 2500 Jahren gestellt und verneint. Seit der Antike herrschte die Auffassung, dass es einen leeren Raum nicht geben könne. Der berühmte ARISTOTELES (um 384-322 v. Chr.) vertrat die Auffassung, dass die Natur eine Abscheu vor dem Leeren, einen "horror vacui" habe. Dieser Lehrsatz galt bis ins Mittelalter.

Im Zusammenhang mit den ersten Untersuchungen zum Luftdruck wurde die Frage nach der Möglichkeit eines luftleeren Raumes neu gestellt. Verbunden sind diese ersten experimentellen Untersuchungen zum Luftdruck und zum Vakuum mit dem Wirken solcher Wissenschaftler wie EVANGELISTA TORRICELLI (1608-1647) und OTTO VON GUERICKE (1602-1686). So versuchte z. B. GUERICKE, mittels einer Pumpe die Luft aus einem Fass herauszupumpen. Durch zahlreiche Versuche gelang es ihm, die Pumpen zu verbessern und ein Vakuum herzustellen. Eine Krönung dieser Experimente war der berühmte Versuch mit den Magdeburger Halbkugeln: Durch Herauspumpen der Luft wurden die Halbkugeln durch den äußeren Luftdruck so stark zusammengepresst, dass selbst 16 Pferde nicht imstande waren, die beiden Halbkugeln voneinander zu trennen. Seit den Untersuchungen von GUERICKE ist klar, dass es luftverdünnte Räume gibt.

Umstritten ist bis heute die Frage, ob es einen vollkommen leeren Raum gibt und wie man ihn definiert. Wie kompliziert diese Frage ist, mögen folgende Beispiele belegen:

• Die Atome eines massiven Stoffes, also z. B. von Eisen, grenzen mit ihren Atomhüllen aneinander. Die Atomkerne, in denen die Masse konzentriert ist, sind aber um etwa den Faktor ${10}^5$ kleiner als die Atomhüllen, in denen sich nur die fast punktförmigen Elektronen befinden. Das Atom ist zum größten Teil leer. Trotzdem bezeichnet man einen massiven Eisenkörper nicht als einen leeren Raum.
• Wasserstoff steht unter Normalbedingungen das Vierzigfache des Volumens der Atome bzw. der Moleküle als "leerer" Raum zur Verfügung. Den ganzen Raum scheint das Gas nur deshalb auszufüllen, weil sich seine Moleküle regellos hin- und herbewegen.
• Im Weltraum ist die Anzahl der Teilchen je Kubikzentimeter außerordentlich klein. Man geht beim interstellaren Gas, das vorwiegend aus Wasserstoff besteht, von einem Wasserstoffatom je Kubikzentimeter aus. Kann man einen solchen Raum als einen leeren Raum bezeichnen?

Arten von Vakuum

Wenn wir von Vakuum sprechen, beziehen wir das immer auf einen größeren (makroskopischen) Raum, in dem sich ein Gas befindet, das einen geringeren Druck als den normalen Luftdruck hat. Dieser normale Luftdruck beträgt
1013,25 hPa = 101,325 kPa = 101 325 Pa.
Diesen Druck üben auch 760 mm Quecksilbersäule oder 10,33 m Wassersäule aus.
Je nach dem Druck in einem Gefäß unterscheidet man zwischen verschiedenen Arten von Vakuum. Diese Arten sind in der nachfolgenden Übersicht zusammengestellt.

Erreicht werden heute Drücke von bis zu ${10}^{-13}\text{ Pa}$.

Vakuumpumpen

Um in einem Raum ein Vakuum zu erzeugen, verwendet man Vakuumpumpen unterschiedlicher Bauart. Eine der einfachsten Möglichkeiten ist die Verwendung einer Wasserstrahlpumpe (Bild 3). Durch das strömende Wasser verringert sich der Druck in dem rechten Gefäß (Bild 3). Dadurch strömt Luft aus dem linken Gefäß aus. In dem Gefäß entsteht ein Unterdruck. Auf diese Weise kann man sich ein Grobvakuum erzeugen.

Mithilfe handbetriebener oder motorbetriebener Luftpumpen erhält man ein Feinvakuum. Bereits da zeigt sich als ein entscheidendes Problem, dass der Raum, in dem das Vakuum erzeugt werden soll, sehr gut abgedichtet sein muss.

Die Erzeugung von Hochvakuum und Höchstvakuum erfordert einen wesentlich höheren apparativen Aufwand. Dazu werden sehr spezielle Arten von Pumpen verwendet.