Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakult�t

Institut f�r Physik

Fachgebiet: Theoretische Physik

Betreuer: Prof. Dr. Ronald Redmer



Dipl.-Phys. Winfried Lorenzen
(e-mail: winfried.lorenzen@uni-rostock.de )

Phase Transitions in Hydrogen-Helium Mixtures

The properties of hydrogen, helium and their mixtures at high pressures are of great importance for a variety of applications. Although hydrogen and helium are the simplest elements, their study at high pressures poses great difficulties for experiment and theory alike. In this work, results from extensive \ab initio{} calculations for these elements are reported. For hydrogen, special attention has been paid to the \nonmetal-to-metal transition and its possible accompanying first-order liquid-liquid phase transition. Conclusive evidence for the occurrence of this transition, which has already been debated for several decades, is shown. Furthermore, an accurate wide range equation of state is calculated for helium, which is of paramount interest for interior structure models of giant planets and brown dwarfs. A high pressure phase diagram of helium is derived from these equation of state calculations. Finally, the miscibility gap of hydrogen and helium is calculated and its implication for the structure and evolution of giant planets like Jupiter and Saturn is discussed.

Die Eigenschaften von Wasserstoff, Helium und ihren Mischungen sind von gro�em Interesse f�r eine Vielzahl von Anwendungen. Obwohl Wasserstoff und Helium die einfachsten Elemente sind, ist ihre theoretische und experimentelle Untersuchung unter hohen Dr�cken sehr schwierig. In dieser Arbeit werden Ergebnisse von aufwendigen \ab initio{} Berechnungen gezeigt. Bei reinem Wasserstoff steht speziell der Nichtmetall-Metall-�bergang und der damit verbundene Phasen�bergang erster Ordnung im Fokus. Die Ergebnisse zeigen �berzeugend die Existenz dieses Phasen�berganges, welcher bereits seit einigen Jahrzehnten diskutiert wurde. F�r Helium wird eine pr�zise Zustandsgleichung berechnet, die in einen gro�en Dichte- und Temperaturbereich g�ltig ist, und die f�r die Modellierung der inneren Struktur von planetaren Gasriesen und Braunen Zwergen von enormer Bedeutung ist. Es wird ein Hochdruckphasendiagramm von Helium konstruiert, welches in Einklang mit experimentellen Daten ist. Schlie�lich wird als zentrales Thema die Mischungsl�cke von Wassertoff und Helium unter hohen Dr�cken berechnet und ihre Auswirkung auf die Struktur und Evolution gro�er Planeten wie Jupiter und Saturn diskutiert.