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Bose-Einstein-Kondensation
Übergang eines Systems von gleichartigen Teilchen mit ganzzahligem Spin (Bosonen) in einen Materiezustand, in dem alle Teilchen den gleichen, energetisch niedrigsten Energiezustand besetzen. Dieser als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnete Zustand wurde 1924 von S. N. Bose und A. Einstein vorhergesagt und 1995 erstmals durch extreme Abkühlung eines verdünnten Gases aus Alkaliatomen experimentell realisiert. Beim Abkühlen eines Gases unter eine kritische Temperatur von weniger als ein millionstel Kelvin wird die de-Broglie-Wellenlänge der Atome so groß, dass sich die Materiewellen benachbarter Atome überlappen. Die Atome verlieren dabei ihre Individualität und können aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik nicht mehr unterschieden werden. Das Ensemble der kondensierten Atome, quasi ein Superatom, wird dann durch eine einzige makroskopische quantenmechanische Wellenfunktion beschrieben.
Plasma
Kernphysik
ein Gas, das nicht aus neutralen Atomen oder Molekülen, sondern aus freien Elektronen und Ionen besteht. Bei sehr hohen Temperaturen werden die Gasmoleküle infolge der häufigen sehr starken Zusammenstöße bei der Wärmebewegung ionisiert, und die äußeren Elektronen bleiben abgetrennt. Als Ganzes ist das Gas zwar nach außen noch elektrisch neutral, dennoch besteht es aus freien, voneinander getrennten Ladungsträgern. Die physikalischen Eigenschaften eines Gases im Plasmazustand unterscheiden sich stark von denen eines normalen Gases. So sind z. B. Gasströmungen stets mit elektrischen Strömen und folglich mit magnetischen Feldern verknüpft, die auf den Strömungsvorgang zurückwirken; aerodynamische Schwingungen im Plasma führen zur Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen. - Die Materie in Sternen und auch Gaswolken im interstellaren Raum befinden sich im Plasmazustand. Plasmaschwingungen in der interstellaren Materie sind wahrscheinlich eine Quelle der von der Radioastronomie beobachteten Strahlungen. Von großer Bedeutung ist die Plasmaphysik für die Entwicklung von Fusionsreaktoren.
Das Plasma lässt sich durch starke magnetische Felder komprimieren und kann auf diese Weise kontrolliert auf extrem hohe Temperaturen (bis ca. 300 Mio. K [Kelvin]) gebracht werden. Bei diesen Temperaturen können Fusionsreaktionen (z. B. zwischen Tritium- und Deuteriumkernen) ablaufen, die zu einer starken Energiefreisetzung führen. Weltweit laufen Forschungsarbeiten, um diesen Prozess zur großtechnischen Anwendung in einem Fusionsreaktor zu entwickeln. Die wichtigsten experimentellen Anordnungen waren bisher die Stelleratoren und die Tokamaks; bei den letzteren wurde 1991 über ein Zeitintervall von 2 s eine Temperatur von über 200 Mio. K erreicht. Bei einer Heizleistung von etwa 20 MW (Megawatt) wurde dabei durch die Verschmelzung von Deuterium- und Tritiumkernen eine Fusionsleistung von ca. 1,5 MW frei. 1997 konnte die Fusionsleistung auf 13 MW gesteigert werden. Die Hauptprobleme der Entwicklung liegen in der Beherrschung von Mikroinstabilitäten im Plasma, in der Entwicklung geeigneter Einschlussmechanismen, in Materialfragen und in der Nachladung von Reaktionsstoffen.
