Надо Знать

добавить знаний



Вакуум



План:


Введение

Стеклянный сосуд с насосом для демонстрации вакуума
Схематическое изображение ртутного барометра Торричелли с вакуумом над столбиком ртути

Вакуум ( рус. вакуум , англ. vacuum , нем. Vakuum , От лат. vacuus - Пустой) - многозначный физический срок, который в зависимости от контекста может означать:

  • Разреженный состояние газа. Такой вакуум называют частичным. Различают высокий, средний и низкий вакуум. Высоким называется вакуум, при котором длина свободного пробега молекул газа превышает линейные размеры сосуда, в котором содержится газ, а если свободный пробег молекул газа и линейные размеры сосуда соизмеримыми величинами, то вакуум называется средним, а если свободный пробег молекул газа меньше линейные размеры сосуда - низким.
На практике качество вакуума измеряется в остаточном давления. Высокий вакуум соответствует давлению, ниже 10 -3 торр. Максимально высокий вакуум, которого можно достичь в современных лабораториях, имеет давление 10 -13 торр.

Частичный вакуум с изобретением ламп накаливания и вакуумных ламп в начале XX века стал широко использоваться в промышленности. В вакууме проводится значительное количество физических экспериментов : отсутствие воздуха или атмосферы другого состава дозовляе уменьшить нежелательные посторонние воздействия на объект исследования. Интерес к изучению вакуума увеличилась после выхода человека в космос. Околоземное и межпланетное пространство очень разреженным газом, который можно характеризовать как вакуум.


1. История

Исследования вакуума начались с создания "торричеллиевои пустоты" итальянским физиком Торричелли Торричелли в середине 17 века. Для получения безвоздушного пространства Торричелли заполнил ртутью тонкую стеклянную трубку с запаянным концом, а потом опустил трубку открытым концом вниз в сосуд, куда могла вытечь ртуть. Как следствие утечки части ртути из трубки, ртуть в трубке опустилась, а над ней образовался пустое пространство. Предложенный Торричелли принцип используется в ртутных барометрах, поскольку уровень ртути в трубке остается таким, чтобы уравновесить атмосферное давление.

Опыты Торричелли отрицали неверное утверждение Аристотеля о том, что природа боится пустоты (horror vacui латыни). Однако, сторонники идеи Аристотеля в свою очередь отрицали, что, пожалуй, пространство над ртутью заполнено какой-то невидимой веществом. В ответ на эти возражения Блез Паскаль продемонстрировал, что уровень ртути меняется с высотой.

Первый вакуумный насос изобрел в 1654 Отто фон Герике. В 1850 Август Теплера изобрел насос Теплера, в 1855 Генрих Гайслер отрмав с помощью ртутного насоса давление 0,01 торр, а в 1865 Германн Шпренгель - насос Шпрегеля. Усовершенствование конструкции насосов в середине 19 в. открыло путь для создания вакуумных ламп.


2. Технический вакуум

Техническим называют частичный вакуум, созданный в земных условиях. Совокупность инструментов, используемых пр этом называют вакуумной техникой. Видное место среди орудий вакуумной техники занимают насосы различной конструкции и принципа действия.

Основным инструментом для создания низкого вакуума является объемный насос. Принцип его действия заключается в циклическом увеличении и уменьшении объема газа в сосуде. Во время фазы увеличения объема, всасывания, газ в сосуде расширяется, заполняя дополнительный объем, который затем отсекается и выбрасывается.

Создание высокого и сверхвысокого вакуума является сложной технической проблемой. Когда молекул газа в вакуумной камере мало, возникают проблемы, связанные с загрязнением камеры молекулами масла, недостаточной плотности прокладок, дегазации стенок сосуда, тому подобное.

Для получения высокого вакуума используют диффузионные насосы. Принцип действия насосов этого типа основан на том, что молекулы газа не диффундируют против течения. Поэтому диффузионные насосы используют струю для извлечения молекул газа с вакуумной камеры.

Насосы-ловушки позволяют достичь еще более высокого вакуума. Их действие может базироваться на различных физических и химических принципах: криогенные насосы используют низкую температуру, для конденсации газа в сосуде, в химических насосах молекулы газа связываются химическими веществами или адсорбируют на поверхности, в ионизационных насосах газ в вакуумной камере йонизуеться и извлекается с помощью сильных электрических полей.

Реальные вакуумные установки состоят из комбинации насосов различного типа, каждый из которых выполняет свою задачу и работает при разной степени разрежения газа в вакуумной камере. К инструментам вакуумной техники относятся также различные измерительные приборы, используемые для определения качества созданного вакуума.


3. Физический вакуум

Физическим вакуумом называют идеализированное понятие пространства, в котором нет частиц. Экспериментально такого состояния достичь невозможно, отдельные атомы и ионы есть даже в чрезвычайно разреженной межгалактическом пространстве. Абстрактное понятие физического вакуума используется, например, для определения скорости света, как скорости распространения электромагнитного взаимодействия в пустоте без частиц.

Даже если бы удалось исключить из как-то лабораторной сосуды все частицы, пространство между стенками остался заповененим электромагнитными волнами, хотя вследствие теплового излучения стенок сосуда. Аналогично, в космическом пространстве существует равномерное реликтовое излучение. Аналогично, не существует способа изолировать лабораторную установку от гравитационного поля и его гипотетических носителей гравитонов.

Однако, в теоретических построениях можно абстрагироваться от перечисленных факторов и рассматривать свойства пустого пространства. Хотя может сложиться впечатление, что пустое пространство является простейшей физической системой, на самом деле это не так. Развитие квантовой механики показал, что вакуум является сложным физическим объектом, свойства которого не совсем ясны.

Во-первых, вакуум, видимо, заполненный нулевыми колебаниями электромагнитного поля. Квантами электромагнитного поля фотоны, частицы принадлежащих к бозонов. Волновые функции бозонов в низком состоянии не равны нулю. При квантовании поля бозонов, они рассматриваются как гармонические осцилляторы. В основном состоянии бозоны имеют не только отличную от нуля волновую функцию, но и ненулевую энергию. Так, вакуум заполнен нулевыми колебаниями различных мод электромагнитного и других бозонних полей со всеми возможными волновыми векторами, направлениям прозповсюдження и поляризациями. Каждая из этих мод имеет энергию \ Frac {1} {2} \ hbar \ omega , Где \ Hbar - сводная постоянная Планка, а \ Omega - циклическая частота. Это порождает проблему энергии вакуума, поскольку таких мод бесконечно много, и суммарная энергия вакуума должна быть бесконечной. Однако, физические эксперименты, в частности Лэмб смещение и эффект Казимира свидетельствуют о том, что нулевые колебания электромагнитного поля - реальность, и что они могут взаимодействовать с другими физическими объектами.

Другая идея, которая еще больше затрудняет понимание вакуума, связанная с уравнением Дирака, описывающее релятивистскую квантовую частицу, в частности электрон. Уравнение Дирака для свободного электрона имеет четыре решения, два из них с отрицательной энергией. Поль Дирак показал, что с помощью операции зарядового сопряжения эти решения можно трактовать, как решения с положительной энергией, но для частицы с противоположным, положительным, зарядом, т.е. античастицы электрона. Такая античастица была обнаружена экспериментально и получила название позитрона.

Трактовка Дирака похоже на терии полупроводников, частицы, электроны, аналогичные электронам проводимости, тогда как античастицы, позитроны, аналогичные дырками. В основном состоянии, что соответствует вакуума, все энергетические состояния с отрицательной энергией, заполнены, а позитрон соответствует незаполненном состоянию.

При рассмотрении взаимодействий между частицами в квантовой электродинамике часто необходимо учитывать возможность образования из вакуума виртуальных электрон-позитронных пар.


См.. также

Источники

  • И. А. Горькая, С. И. Кононенко, М. М. Юнаков. Теоретические основы вакуумной техники. Учебное пособие. Харьков 2009.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам