Вакуум

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Скляна посудина із насосом для демонстрації вакууму
Схематичне зображення ртутного барометра Торрічеллі з вакуумом над стовпчиком ртуті

Ва́куум або порожня́  (рос. вакуум, англ. vacuum, нім. Vakuum, від лат. vacuus — порожній) — багатозначний фізичний термін, який у залежності від контексту може означати:

  • Розріджений стан газу. Такий вакуум називають частковим. Розрізняють високий, середній і низький вакуум. Високим називається вакуум, при якому довжина вільного пробігу молекул газу перевищує лінійні розміри посудини, в якій міститься газ; якщо вільний пробіг молекул газу і лінійні розміри посудини є сумірними величинами, то вакуум називається середнім, а якщо вільний пробіг молекул газу менший за лінійні розміри посудини — низьким.
На практиці якість вакууму вимірюється в залишковому тиску. Високий вакуум відповідає тиску, нижчому за 10−3 торр. Максимально високий вакуум, якого можна досягти в сучасних лабораторіях, має тиск 10−13 торр.

Частковий вакуум із винаходом ламп розжарювання та вакуумних ламп на початку XX століття став широко використовуватися в промисловості. У вакуумі проводиться значна кількість фізичних експериментів: відсутність повітря чи атмосфери іншого складу дозовляє зменшити небажані сторонні впливи на об'єкт дослідження. Інтерес до вивчення вакууму збільшився після виходу людини в космос. Навколоземний та міжпланетний простори є дуже розрідженим газом, який можна характеризувати як вакуум.

Історія[ред.ред. код]

Дослідження вакууму розпочалися зі створення «торрічеллієвої порожнечі» італійським фізиком Еванджеліста Торрічеллі в середині 17 століття. Для отримання безповітряного простору Торрічеллі заповнив ртуттю тонку склянну трубку із запаяним кінцем, а потім опустив трубку відкритим кінцем униз в посудину, куди могла витекти ртуть. Як наслідок витікання частини ртуті з трубки, ртуть у трубці опустилася, а над нею утворився порожній простір. Запропонований Торрічеллі принцип використовується у ртутних барометрах, оскільки рівень ртуті в трубці залишається таким, щоб зрівноважити атмосферний тиск.

Досліди Торрічеллі заперечили неправильне твердження Аристотеля про те, що природа боїться порожнечі (horror vacui латиною). Однак, прихильники ідеї Аристотеля у свою чергу заперечували, що, мабуть, простір над ртуттю заповнений якоюсь невидимою речовиною. У відповідь на ці заперечення Блез Паскаль продемонстрував, що рівень ртуті змінюється з висотою.

Перший вакуумний насос винайшов у 1654 Отто фон Ґеріке. У 1850 Август Теплер винайшов насос Теплера, у 1855 Генріх Гайслер отримав за допомогою ртутного насоса тиск 0,01 торр, а у 1865 Германн Шпренгель — насос Шпрегеля. Удосконалення конструкції насосів у середині 19 ст. відкрило шлях для створення вакуумних ламп.

Технічний вакуум[ред.ред. код]

Технічним називають частковий вакуум, створений у земних умовах. Сукупність інструментів, що використовуються при цьому називають вакуумною технікою. Чільне місце серед знарядь вакуумної техніки займають насоси різноманітної конструкції і принципу дії.

Основним інструментом для створення низького вакууму є об'ємний насос. Принцип його дії полягає у циклічному збільшенні та зменшенні об'єму газу в посудині. Під час фази збільшення об'єму, всмоктування, газ у посудині розширюється, заповнюючи додатковий об'єм, який потім відсікається і викидається.

Створення високого і надвисокого вакууму є складною технічною проблемою. Коли молекул газу у вакуумній камері мало, виникають проблеми, пов'язані із забрудненням камери молекулами мастила, недостатньої щільності прокладок, дегазації стінок посудини тощо.

Для отримання високого вакууму використовують дифузійні насоси. Принцип дії насосів цього типу ґрунтується на тому, що молекули газу не дифундують проти течії. Тому дифузійні насоси використовують струмінь для витягування молекул газу з вакуумної камери.

Насоси-уловлювачі дозволяють досягти ще вищого вакууму. Їхня дія може базуватися на різних фізичних та хімічних принципах: кріогенні насоси використовують низьку температуру, для конденсації газу в посудині, у хімічних насосах молекули газу зв'язуються хімічними речовинами або адсорбують на поверхні, в іонізаційних насосах газ у вакуумній камері йонізується і витягається за допомогою сильних електричних полів.

Реальні вакуумні установки складаються із комбінації насосів різного типу, кожен із яких виконує своє завдання і працює при різному ступені розрідження газу у вакуумній камері. До інструментів вакуумної техніки належать також різноманітні вимірювальні прилади, що використовуються для визначення якості створеного вакууму.

Фізичний вакуум[ред.ред. код]

Фізичним вакуумом називають ідеалізоване поняття простору, в якому немає частинок. Експериментально такого стану досягнути неможливо, окремі атоми і йони є навіть у надзвичайно розрідженому міжгалактичному просторі. Абстрактне поняття фізичного вакууму використовується, наприклад, для означення швидкості світла, як швидкості розповсюдження електромагнітної взаємодії у порожнечі без жодних частинок.

Навіть якщо б вдалося вилучити з якось лабораторної посудини всі частинки, простір між стінками залишився б заповненим електромагнітними хвилями, хоча б внаслідок теплового випромінювання стінок посудини. Аналогічно, у космічному просторі існує рівномірне реліктове випромінювання. Аналогічно, не існує способу ізолювати лабораторну установку від гравітаційного поля та його гіпотетичних носіїв гравітонів.

Однак, у теоретичних побудовах можна абстрагуватися від перелічених факторів, і розглядати властивості порожнього простору. Хоча може скластися враження, що порожній простір є найпростішою фізичною системою, насправді це не так. Розвиток квантової механіки показав, що вакуум є складним фізичним об'єктом, властивості якого ще не зовсім зрозумілі.

По-перше, вакуум, мабуть, заповнений нульовими коливаннями електромагнітного поля. Квантами електромагнітного поля є фотони, частинки що належать до бозонів. Хвильові функції бозонів у найнижчому стані не дорівнюють нулю. При квантуванні поля бозонів, вони розглядаються як гармонічні осцилятори. В основному стані бозони мають не тільки відмінну від нуля хвильову функцію, а й ненульову енергію. Тож, вакуум заповнений нульовими коливаннями різних мод електромагнітного та інших бозонних полів з усіма можливими хвильовими векторами, напрямками розповсюдження та поляризаціями. Кожна з цих мод має енергію  \frac{1}{2} \hbar \omega , де  \hbar  — зведена стала Планка, а  \omega  — циклічна частота. Це породжує проблему енергії вакууму, оскільки таких мод нескінченно багато, й сумарна енергія вакууму повинна бути нескінченною. Однак, фізичні експерименти, зокрема Лембів зсув та ефект Казимира свідчать про те, що нульові коливання електромагнітного поля — реальність, і, що вони можуть взаємодіяти з іншими фізичними об'єктами.

Інша ідея, яка ще більше ускладнює розуміння вакууму, пов'язана з рівнянням Дірака, що описує релятивістську квантову частинку, зокрема електрон. Рівняння Дірака для вільного електрона має чотири розв'язки, два з них із від'ємною енергією. Поль Дірак показав, що за допомогою операції зарядового спряження ці розв'язки можна трактувати, як розв'язки з додатною енергією, але для частинки з протилежним, позитивним, зарядом, тобто античастинки електрона. Така античастинка була виявлена експериментально і отримала назву позитрона.

Трактування Дірака схоже на теорію напівпровідників, Частинки, електрони, аналогічні електронам провідності, тоді як античастинки, позитрони, аналогічні дірками. В основному стані, що відповідає вакууму, всі енергетичні стани з від'ємною енергією, заповнені, а позитрон відповідає незаповненому станові.

При розгляді взаємодій між частинками в квантовій електродинаміці часто необхідно враховувати можливість утворення з вакууму віртуальних електрон-позитронних пар.

Див. також[ред.ред. код]


Джерела[ред.ред. код]

  • І. О. Гірка, С. І. Кононенко, М. М. Юнаков. Теоретичні основи вакуумної техніки. Навчальний посібник. Харків 2009.