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Phasenübergänge eines Gases

Kühlt man ein Gas (z. B. Wasserdampf) ab, so kommt es normalerweise zur Kondensation, also zur Verflüssigung (Wasser) und schließlich Verfestigung (Eis). Dazu sind Stöße von mindestens drei Gasteilchen nötig, denn die bei der Bindung von zwei Teilchen frei werdende Energie muss irgendwie abgeführt werden. Ist die Dichte so klein, dass solche Dreikörperstöße unwahrscheinlich sind, kann das Gas bis zu sehr tiefen Temperaturen gasförmig bleiben. Der Quantenphysik zufolge haben die Gasteilchen Wellen­eigen­schaften. Jedes Gasteilchen wird durch ein Paket aus Wellen verschiedener Wellen­längen beschrieben. Die zentrale Wellenlänge ist umgekehrt proportional zur mittleren Geschwindigkeit der Gasteilchen. Sie wird als thermische de Broglie-Wellenlänge bezeichnet zu Ehren des französischen Physikers Luis Victor de Broglie, der als erster auch Materie Welleneigenschaften zuschrieb. Die Ausdehnung eines solchen Wellenpakets ist ungefähr durch die thermische de Broglie-Wellenlänge gegeben. Mit sinkender Temperatur, und somit sinkender mittlerer Geschwindigkeit der Gasteilchen, wächst die thermische de Broglie-Wellenlänge, bis sich die Wellenpakete zu überlappen beginnen. Die Teilchen werden dadurch gezwungen, zu interferieren, das heißt sich gegenseitig zu verstärken und auszulöschen, so wie wir es vom Licht kennen. Dies führt dazu, dass die Gasteilchen sich in zwei Fraktionen aufteilen. Es gehen genau so viele Teilchen in den Zustand niedrigster Energie (den Grund­zustand) über und bilden ein Bose-Einstein-Kondensat, dass es für die übrigen thermischen Atome gerade nicht mehr zur Überlappung der Wellenpakete kommt.