Atommodelle: Gasmodelle

In Gasen treten Atome oder Moleküle in großer Anzahl auf. Um solche Ensemble effektiv statistisch beschreiben zu können, gibt es einfache Modelle für die Teilchen eines solchen Gases, die ausreichen, um die Statistik des Ensembles zu beschreiben. Da in einem stabilen Gas (in dem es zu keinen relevanten Änderungen der Zusammensetzung durch chemische Reaktionen kommt) praktisch nur Teilchen vorkommen, die elastisch miteinander stoßen und sich im elektronischen Grundzustand befinden, reicht es für solche einfachen Gase, nur sehr einfache Parameter zu berücksichtigen, um die Statistik zu erfassen, nicht um ein realistisches Atommodell zu entwickeln.

Beim idealen Gas wird von ausdehnungslosen Masseteilchen ausgegangen. Es gibt keine weiteren Kräfte in diesem Modell, allerdings gibt es dennoch (elastische) Stöße der Teilchen untereinander, die es erlauben, daß sich das Ensemble zu thermodynamischen Gleichgewicht hin bewegt, auch sind Stößen mit Wänden vorgesehen, über die das Ensemble dann die Temperatur der Wand annehmen kann oder wo sich der aus den Stößen resultierende Druck des Gases auf die Wand ermitteln läßt. Zwischen zwei Stößen mit anderen Teilchen ist die (mittlere) freie Weglänge, in der sich ein Teilchen mit gleicher Geschwindigkeit (Richtung und Betrag) bewegt. Der angenommene Stoßquerschnitt ist dann vom Gas abhängig und auch von der Temperatur.

Das ideale Gas ist ein klassisches Modell. Bei hohen Energien ist entsprechend ein relativistisches Modell zu verwenden. Sind die Energien hingegen vergleichbar mit den Energiequanten für Übergänge im Atom oder Molekül, so sind Modelle zu berücksichtigen, die die speziellen Eigenschaften der Teilchen berücksichtigen (Bose-Einstein- oder Fermi-Dirac-Statistik).

Das ideale Gas ist ein gutes Modell, wenn die Teilchendichte gering ist und es sich um Edelgase handelt oder um Moleküle wie Stickstoff, die sich ähnlich wie Edelgase verhalten. Ansonsten kann nicht von ausdehnungslosen Masseteilchen ausgegangen werden. Die Wechselwirkung der Teilchen untereinander bewirkt dann Änderungen im Verhalten (Van-der-Waals-Kräfte), so daß die Gleichungen für das ideale Gas um diese Effekte modifiziert werden müssen. Prinzipiell können die notwendigen Korrekturen aus dem quantenchemisch berechneten Potential berechnet werden - oder sie werden phänomenologisch aus Messungen makroskopischer Größen gewonnen. Die mittlere freie Weglänge und der Stoßquerschnitt läßt sich etwa aus Messungen der Viskosität bestimmen. Abweichungen vom idealen Gas können bestimmt werden durch Messung der Relationen zwischen Druck, Temperatur und Volumen.