Chemische Laser

Abstract

Chemische Laser beruhen auf dem neuen Prinzip der Gewinnung von Energie in der Form koharenter Strahlung aus chemischen Reaktionsprozessen. Seit der Ent,deckung des ersten Lasers dieses Typs 1965 ist Laser-Emission in einer groBeren Zahl schneller Gasphasenreaktionen untersucht worden. I m Bereich der physikalischen Chemie bietet sich damit ein diagnostisches Werkzeug zur detaillierten Erforschung der Energievert,eilung in don betreffenden Reaktionen. Dariiber hinaus diirfte mit dem kiirzlich gelungenen Betrieb eines chemischen Fluorwasserstoff-Lasers im Dauerstrich auch die Schwelle zur t,echnischen Verwert,barkeit iiberschritten worden sein. Der Beitrag versucht, die Entwicklung dieses noch jungen Arbeitsgebietes sowie Moglichkeiten und Grenzen der Energieerzeugung mit chemischen Lasern aufzuzeigen. Neben die bekannten Moglichkeiten der Energieerzeugung auf chemischem Wege, wie sie zu Heizungs-, Beleuchtungs-, Antriebszwecken u. a. benut,zt werden, ist seit 1065 ein neues Prinzip chemischer Energiegewinnung getreten, namlich die Reakt,ionswarme chemischer Reaktionen ganz oder teilweise als stimuliert,e Emission eines oder mehrerer Reaktionsprodukte freizusetzen. Solche Reaktionssysteme heiBen chemische Laser, weil die Anregungsenergie der Molekiile, die als Laser-Emission in Erscheinung tritt, einer chemischen Reaktion entstammt. Der Laser wird also chemisch gepumpt. Veranschaulichen la13t sich dieses Prinzip am bssten an einem konkreten Beispiel. Bei der exothermen Umsetzung eines Fluor-Atoms mit einem Wasserstoff-Molekul unter Bildung von Fluorwasserstoff F + Hz -+ HF + H (1) (Aktivierungsenergie E A = 1,7 kcal, Reaktionsenthalpie d H = -31,6 kcal/mol) werden 33,3 kcal/mol freigesetzt. Dieser Energiebetrag kann sich iiber die Freiheitsgrade der Translation (Etrans.) von H F rind H verteilen sowie Erweiterte Fassung eines Vortrages bei der GDCh-Hauptversammlung, 15. bis 20. Sept. 1969 in Hamburg. zur Anregung von Rotatmion (Er,t.) und Schwingung ( E v i b . ) des Fluorwasserstoff-Molekuls fiihren. Eine elektronische Anregung der Reaktionsprodukte erfordert weit groBere Energiebetrage und ist hier nicht moglich. Die Gesamtenergie des Fluorwasserstoffes ist mithin E = E v i b . + Erot. + Etrans. -Solange thermisches Gleichgewicht vorliegt, ist die Konzentration an angeregten Molekiilen durch die Boltzmann-Beziehung gegeben :