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Lexikon der Physik: 3He

3He, das aus einem Neutron und zwei Protonen bestehende leichte stabile Isotop des Helium. Oberhalb von etwa 1 K verhält sich 3He wie eine klassische Flüssigkeit, unterhalb zeigt es einem idealen Fermi-Gas verwandte Eigenschaften, z.B. wird die magnetische Suszeptibilität nahezu unabhängig von der Temperatur, während sie oberhalb von 1 K dem Curie-Gesetz gehorcht. Allerdings können nicht alle Eigenschaften quantitativ durch das Fermi-Gas-Modell beschrieben werden, eine bessere Erklärung liefert die Theorie der Fermi-Flüssigkeit von L. Landau.

Da sowohl der Kern als auch das eine abgeschlossene Elektronenhülle tragende neutrale 3He-Atom ungradzahligen Spin haben, sind diese Fermionen und können daher bei tiefen Temperaturen kein Bose-Einstein-Kondensat bilden. Dennoch kann auch 3He supraflüssig werden, und zwar aufgrund eines der Supraleitung verwandten Mechanismus: je zwei Helium-Atome bilden ein bosonisches Quasiteilchen mit Gesamtspin S = 1; diese Quasiteilchen verhalten sich wie die He-II-Atome und können sich zu einem kollektiven Grundzustand vereinigen. Allerdings sind die hydrodynamischen Eigenschaften aufgrund der Paarstruktur anisotrop. Aufgrund der Schwäche der Paarwechselwirkung liegt die Übergangstemperatur zum suprafluiden Zustand bei 3He im mK-Bereich und damit um etwa einen Faktor 1000 unter der von 4He; andererseits erhöht die Paarwechselwirkung die bei rund 50 nK liegende Ordnungstemperatur der Kernspins um einen Faktor 40. Je nachdem, wie Spin S und Bahndrehimpuls L des Paares zu einem äußeren Magnetfeld B eines 3He-Paares orientiert sind, bilden sich verschiedene Phasen aus. In der ferromagnetischen 3He-A1-Phase stehen S parallel und L senkrecht zu B, in der antiferromagnetischen 3He-A-Phase steht S mit gleicher Wahrscheinlichkeit parallel und antiparallel zu B, L steht senkrecht auf S. In der paramagnetischen 3He-B-Phase schließlich ist J = L + S = 0, L und S stehen antiparallel. Abb. 1 zeigt das Druck-Temperatur-Magnetfeld-Phasendiagramm. Oberhalb von etwa 35 bar = 3,5 Mpa wird 3He fest. Die normalflüssige Phase wird auch mit 3He-N bezeichnet. Die verschiedenen Phasen des supraflüssigen 3He zeigen eine Fülle von interessanten und teilweise noch unverstandenen Phänomenen, u.a. ist 3He-A die einzige bekannte magnetische Supraflüssigkeit. Wegen der geringen Übergangstemperatur ist 3He ein wichtiges Kühlmittel zur Erzeugung tiefer Temperaturen. Von großem Interesse sind auch 3He-4He-Gemische, diese bilden u.a. die Grundlage der 3He-4He-Entmischungskühlung (engl.: dilution refrigeration). (Fermiflüssigkeit, Suprafluidität)

In der Umweltphysik ist das in einer Gasprobe gemessene Verhältnis von 3He zu 4He ein natürlicher Tracer. In der freien Atmosphäre beträgt dieses Verhältnis etwa 1,38 · 10-6, es kann aber durch verschiedene Prozesse beeinflußt werden: Einerseits ist 3He das Zerfallsprodukt des radioaktiven Wasserstoffisotops Tritium und kann somit im Rahmen der Tritium-Methode zur Angabe der seit einer künstlichen Tracerung mit diesem Isotop vergangenen Zeit bzw. zur Angabe der seit dem Maximum der Atomwaffentests in den 60er Jahren verstrichenen Zeit benutzt werden. Andererseits erhöht sich in einer in Gestein eingeschlossenen Probe nach Abschluß von der freien Atmosphäre der Gehalt an 4He, da dieses durch radioaktiven Alphazerfall kontinuierlich im Erdinneren gebildet wird; damit bedeutet ein niedriges 3He : 4He-Verhältnis hohes Alter der Gesteinsprobe.



3He 1: Phasendiagramm für supraflüssiges 3He.



3He 2: Temperaturabhängigkeit der molaren Wäremkapazität beim Schmelzdruck und einem Magnetfeld von 0,88 T. Die Sprünge zeigen die Phasenübergänge von 3He-N nach 3He-A1 und dann nach 3He-A an.

Copyright 1998 Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg

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Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
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Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
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Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
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Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Dr. Margit Sarstedt, Leuven, B [MS2] (A) (25)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
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Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
Dr. Anton Lerf, Garching [AL1] (A) (23)
Dr. Detlef Lohse, Twente, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
Dr. Berthold Suchan, Gießen [BS] (A) (Essay Wissenschaftsphilosophie)
Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
Dr. Volker Theileis, München [VT] (A) (20)
Prof. Dr. Stefan Theisen, München (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Dr. Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
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