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Keimbildung

 
     
  Vorgang, der bei der Kristallzüchtung am Anfang eines Phasenüberganges steht. Wird eine Phase übersättigt, dann bildet sich nicht sofort die neue Phase. Die Ausgangsphase kann in einem metastabilen Zustand der Unterkühlung oder Übersättigung erhalten bleiben (Ostwald-Miers-Bereich). Wasser kann beispielsweise um einige Grad unter den Gefrierpunkt unterkühlt werden. Erst bei einer hinreichend grossen Unterkühlung bzw. Übersättigung bilden sich submikroskopische Kristallpartikel entweder spontan in der Ausgangsphase (homogene Keimbildung) oder an Fremdkörpern (heterogene Keimbildung) als Keime der neuen Phase, die sich meist rasch vergrössern und dadurch die Übersättigung abbauen. Die Bildung eines Keimes ist mit der Änderung der freien Enthalpie ΔGk des Systems verbunden, die sich aus mehreren Beiträgen zusammensetzt.


Zunächst geht ein gewisser Teil des Systems wegen der Übersättigung durch die Bildung der neuen Phase in einen Zustand geringerer freier Enthalpie über, was die (negative) Änderung ΔGn bedeutet. Allerdings muss mit der Bildung des Keimes auch die Keimoberfläche aufgebaut werden (Grenzflächenenergie), was eine (positive) Änderung der freien Enthalpie ΔGf bedeutet. Ausserdem kann der neue Keim bei seiner Bildung elastischen Kräften durch die umgebende Phase ausgesetzt sein, die z.B. bei der Keimbildung in kristallinen Phasen oder Gläsern beträchtlich sein können. In diesen Fällen ist ein weiterer (positiver) Term ΔGe zu berücksichtigen. Der allgemeine Ausdruck für die Änderung der freien Enthalpie bei der Bildung eines Keimes ergibt sich demnach: ΔGk= ΔGn+ΔGf+ΔGe. Ohne den elastischen Energieanteil besteht diese freie Enthalpie aus dem negativen Term, ΔGn, der proportional dem Volumen ist, und dem positiven Term ΔGf, der proportional der Oberfläche ist. Damit muss für die Bildung kleiner Keime Energie aufgewendet werden. Erst ab einem kritischen Radius wird durch die Anlagerung weiterer Teilchen Energie gewonnen. Keime, die einen kleineren Radius als den kritischen Keimradius besitzen, werden wieder vergehen, grössere bleiben stabil. Die Energie für die Keimkristalle mit dem kritischen Radius, die Keimbildungsarbeit, muss durch Fluktuationen in der Ausgangsphase aufgebracht werden. Die Grösse des kritischen Keimes ist im Gleichgewicht der Phasen unendlich und nimmt mit steigender Übersättigung schnell ab. Ab einer kritischen Überschreitung der Übersättigung nimmt die Keimbildungsrate drastisch zu.
 
 

 

 

 
 
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