Vakuums ir telpa, kurā nav matērijas. Lietišķajā fizikā un tehnoloģijā ar to saprot vidi, kurā gāze atrodas spiedienā, kas ir mazāks par atmosfēras spiedienu. Kas bija retas gāzes, kad tās pirmo reizi tika atklātas?
Vēstures lapas
Ideja par tukšumu ir bijusi strīdu punkts gadsimtiem ilgi. Reti sastopamās gāzes mēģināja analizēt seno grieķu un romiešu filozofus. Demokrits, Lukrēcijs, viņu skolēni uzskatīja: ja starp atomiem nebūtu brīvas vietas, to kustība būtu neiespējama.
Aristotelis un viņa sekotāji šo jēdzienu atspēkoja, viņuprāt, dabā nedrīkst būt nekāda "tukšuma". Viduslaikos Eiropā ideja par "bailēm no tukšuma" kļuva par prioritāti, tā tika izmantota reliģiskiem mērķiem.
Senās Grieķijas mehānika, veidojot tehniskās ierīces, balstījās uz gaisa retināšanu. Piemēram, ūdens sūkņi, kas darbojās, kad virs virzuļa tika izveidots vakuums, parādījās Aristoteļa laikā.
Izmantotais gāzes, gaisa, stāvoklis ir kļuvis par pamatu virzuļu vakuumsūkņu ražošanai, ko pašlaik plaši izmanto tehnoloģijā.
Viņu prototips bija viņa radītā slavenā Aleksandrijas Herona virzuļšļirceizvilkt strutas.
Septiņpadsmitā gadsimta vidū tika izstrādāta pirmā vakuuma kamera, un sešus gadus vēlāk vācu zinātniekam Otto fon Gērikam izdevās izgudrot pirmo vakuumsūkni.
Šis virzuļa cilindrs viegli izsūknēja gaisu no noslēgtā konteinera, radot tur vakuumu. Tas ļāva izpētīt jaunā stāvokļa galvenās īpašības, analizēt tā darbības īpašības.
Tehniskais vakuums
Praksē retu gāzes, gaisa stāvokli sauc par tehnisko vakuumu. Lielos apjomos nav iespējams iegūt tik ideālu stāvokli, jo noteiktā temperatūrā materiāliem ir piesātināto tvaiku blīvums, kas nav nulle.
Ideāla vakuuma iegūšanas neiespējamības iemesls ir arī gāzveida vielu pārnešana caur stiklu, trauku metāla sienām.
Nelielos daudzumos ir pilnīgi iespējams iegūt retinātas gāzes. Kā retināšanas mērs tiek izmantots nejauši saduras gāzes molekulu brīvais ceļš, kā arī izmantotā trauka lineārais izmērs.
Par tehnisko vakuumu var uzskatīt gāzi cauruļvadā vai traukā, kuras spiediena vērtība ir mazāka nekā atmosfērā. Zems vakuums rodas, kad gāzes atomi vai molekulas pārstāj sadurties savā starpā.
Starp augsta vakuuma sūkni un atmosfēras gaisu ir novietots priekšējais vakuums, kas rada iepriekšēju vakuumu. Spiediena kameras sekojošā samazināšanās gadījumā tiek novērots gāzveida daļiņu ceļa garuma palielināšanās.vielas.
Kad spiediens ir no 10 -9 Pa, tiek izveidots īpaši augsts vakuums. Tieši šīs retinātās gāzes izmanto, lai veiktu eksperimentus, izmantojot skenējošo tunelēšanas mikroskopu.
Šādu stāvokli dažu kristālu porās iespējams iegūt pat pie atmosfēras spiediena, jo poru diametrs ir daudz mazāks par brīvas daļiņas brīvo ceļu.
Vakuuma ierīces
Gāzes retinātais stāvoklis tiek aktīvi izmantots ierīcēs, ko sauc par vakuumsūkņiem. Getterus izmanto, lai iesūktu gāzes un iegūtu noteiktu vakuuma pakāpi. Vakuuma tehnoloģijā ietilpst arī daudzas ierīces, kas nepieciešamas šī stāvokļa kontrolei un mērīšanai, kā arī objektu vadīšanai, dažādu tehnoloģisko procesu veikšanai. Sarežģītākās tehniskās ierīces, kurās tiek izmantotas retinātas gāzes, ir augsta vakuuma sūkņi. Piemēram, difūzijas ierīces darbojas, pamatojoties uz atlikušo gāzes molekulu kustību darba gāzes plūsmas iedarbībā. Pat ideāla vakuuma gadījumā, sasniedzot galīgo temperatūru, ir mazs termiskais starojums. Tas izskaidro reto gāzu galvenās īpašības, piemēram, termiskā līdzsvara iestāšanos pēc noteikta laika intervāla starp ķermeni un vakuuma kameras sienām.
Reti sastopamā monatomiskā gāze ir lielisks siltumizolators. Tajā siltumenerģijas pārnešana tiek veikta tikai ar starojuma palīdzību, siltumvadītspēja un konvekcija navtiek ievēroti. Šis īpašums tiek izmantots Dewar traukos (termosos), kas sastāv no diviem konteineriem, starp kuriem ir vakuums.
Vakuums ir atradis plašu pielietojumu radiolampās, piemēram, kineskopu magnetronos, mikroviļņu krāsnīs.
Fiziskais vakuums
Kvantu fizikā šāds stāvoklis nozīmē kvantu lauka pamata (zemāko) enerģijas stāvokli, ko raksturo kvantu skaitļu nulles vērtības.
Šajā stāvoklī monatomiskā gāze nav pilnībā tukša. Saskaņā ar kvantu teoriju virtuālās daļiņas sistemātiski parādās un izzūd fiziskajā vakuumā, kas izraisa nulles lauku svārstības.
Teorētiski vienlaikus var pastāvēt vairāki dažādi vakuumi, kas atšķiras pēc enerģijas blīvuma, kā arī citām fizikālajām īpašībām. Šī ideja kļuva par inflācijas lielā sprādziena teorijas pamatu.
Nepatiess vakuums
Tas nozīmē lauka stāvokli kvantu teorijā, kas nav stāvoklis ar minimālu enerģiju. Tas ir stabils noteiktā laika periodā. Pastāv iespēja nepatiesu stāvokli "tunelēt" patiesā vakuumā, kad tiek sasniegtas vajadzīgās galveno fizisko lielumu vērtības.
Kosmoss
Apspriežot, ko nozīmē reta gāze, ir jāpakavējas pie jēdziena "kosmiskais vakuums". To var uzskatīt par tuvu fiziskajam vakuumam, bet esošu starpzvaigžņutelpa. Planētām, to dabiskajiem pavadoņiem, daudzām zvaigznēm ir noteikti pievilcīgi spēki, kas notur atmosfēru noteiktā attālumā. Atkāpjoties no zvaigžņu objekta virsmas, mainās izdalīto gāzu blīvums.
Piemēram, ir Karmana līnija, kas tiek uzskatīta par kopēju definīciju ar planētas robežas ārējo telpu. Aiz tā izotropās gāzes spiediena vērtība krasi samazinās salīdzinājumā ar saules starojumu un saules vēja dinamisko spiedienu, tāpēc ir grūti interpretēt retas gāzes spiedienu.
Kosmoss ir pilns ar fotoniem, neitrīno relikvijām, kurus ir grūti noteikt.
Mērīšanas funkcijas
Vakuuma pakāpi parasti nosaka sistēmā paliekošā vielas daudzums. Galvenā šī stāvokļa mērīšanas īpašība ir absolūtais spiediens, turklāt tiek ņemts vērā gāzes ķīmiskais sastāvs un tās temperatūra.
Svarīgs vakuuma parametrs ir sistēmā atlikušo gāzu ceļa garuma vidējā vērtība. Ir vakuuma iedalījums noteiktos diapazonos atbilstoši mērījumiem nepieciešamajai tehnoloģijai: viltus, tehniskais, fiziskais.
Vakuuma formēšana
Šī ir izstrādājumu ražošana no moderniem termoplastiskiem materiāliem karstā veidā, izmantojot zemu gaisa spiedienu vai vakuuma darbību.
Vakuuma formēšana tiek uzskatīta par vilkšanas metodi, kuras rezultātā lokšņu plastmasa tiek uzkarsēta,atrodas virs matricas, līdz noteiktai temperatūras vērtībai. Tālāk lapa atkārto matricas formu, jo starp to un plastmasu ir izveidots vakuums.
Elektrovakuuma ierīces
Tās ir ierīces, kas paredzētas elektromagnētiskās enerģijas radīšanai, pastiprināšanai un konvertēšanai. Šādā ierīcē no darba telpas tiek izvadīts gaiss, un aizsardzībai pret apkārtējo vidi tiek izmantots necaurlaidīgs apvalks. Šādu ierīču piemēri ir elektroniskās vakuumierīces, kurās elektroni iekļaujas vakuumā. Kvēlspuldzes var uzskatīt arī par vakuumierīcēm.
Gāzes zemā spiedienā
Gāzi sauc par retu, ja tās blīvums ir niecīgs un molekulārā ceļa garums ir salīdzināms ar trauka izmēru, kurā atrodas gāze. Šādā stāvoklī tiek novērots elektronu skaita samazinājums proporcionāli gāzes blīvumam.
Ļoti retas gāzes gadījumā iekšējas berzes praktiski nav. Tā vietā parādās kustīgās gāzes ārējā berze pret sienām, kas izskaidrojama ar molekulu impulsa izmaiņām, tām saduroties ar trauku. Šādā situācijā ir tieša proporcionalitāte starp daļiņu ātrumu un gāzes blīvumu.
Zema vakuuma gadījumā tiek novērotas biežas sadursmes starp gāzes daļiņām pilnā tilpumā, ko pavada stabila siltumenerģijas apmaiņa. Tas izskaidro pārneses fenomenu (difūziju, siltumvadītspēju), ko aktīvi izmanto mūsdienu tehnoloģijās.
Retu gāzu iegūšana
Vakuuma ierīču zinātniskā izpēte un izstrāde sākās septiņpadsmitā gadsimta vidū. 1643. gadā itālietim Toričelli izdevās noteikt atmosfēras spiediena vērtību, un pēc O. Gērikas mehāniskā virzuļsūkņa ar speciālu ūdens blīvējumu izgudrošanas radās reāla iespēja veikt neskaitāmus retinātās gāzes īpašību pētījumus. Vienlaikus tika pētītas iespējas vakuuma ietekmei uz dzīvām būtnēm. Eksperimenti, kas veikti vakuumā ar elektrisko izlādi, palīdzēja atklāt negatīvu elektronu, rentgena starojumu.
Pateicoties vakuuma siltumizolācijas spējai, radās iespēja izskaidrot siltuma pārneses metodes, izmantot teorētisko informāciju mūsdienu kriogēno tehnoloģiju attīstībai.
Vakuuma izmantošana
1873. gadā tika izgudrota pirmā elektrovakuuma ierīce. Tie kļuva par kvēlspuldzi, ko radīja krievu fiziķis Lodygins. Kopš tā laika vakuuma tehnoloģijas praktiskā izmantošana ir paplašinājusies, ir parādījušās jaunas metodes šī stāvokļa iegūšanai un izpētei.
Īsā laika periodā ir radīti dažāda veida vakuumsūkņi:
- rotācijas;
- kriosorbcija;
- molekulārā;
- difūzija.
Divdesmitā gadsimta sākumā akadēmiķim Ļebedevam izdevās uzlabot vakuuma nozares zinātniskos pamatus. Līdz pagājušā gadsimta vidum zinātnieki nepieļāva iespēju iegūt spiedienu, kas mazāks par 10-6 Pa.
BPašlaik vakuuma sistēmas ir pilnībā izgatavotas no metāla, lai izvairītos no noplūdes. Vakuuma kriogēnos sūkņus izmanto ne tikai pētniecības laboratorijās, bet arī dažādās nozarēs.
Piemēram, pēc speciālo evakuācijas līdzekļu izstrādes, kas nepiesārņo izmantoto objektu, ir parādījušās jaunas perspektīvas vakuuma tehnoloģiju izmantošanai. Ķīmijā šādas sistēmas aktīvi izmanto tīru vielu īpašību kvalitatīvai un kvantitatīvai analīzei, maisījuma sadalīšanai komponentos un dažādu procesu ātruma analīzei.
