Атомы ипустота: нет ничего, кроме атомов ипустоты. демокрит изабдер (v в. до н.э.)

      Комментарии к записи Атомы ипустота: нет ничего, кроме атомов ипустоты. демокрит изабдер (v в. до н.э.) отключены

Атомы ипустота: нет ничего, кроме атомов ипустоты. демокрит изабдер (v в. до н.э.)

Все эти частицы постоянно двигаются, летая с огромными скоростями в много метров в секунду, непрерывно сталкиваются между собой и с окружающими предметами, оказывая на них давление. По мере удаления от земной поверхности, с разрежением воздуха, вакуум делается все заметнее, пока не достигнет космических масштабов. По современным оценкам, в самых «безлюдных» частях Вселенной на каждые 10 литров приходится всего одна (!) частица — ничтожно мало если сравнивать с тем, что окружает нас на Земле.

Но вакуум возможно создать и в земных условиях — в замкнутых сосудах, удалив оттуда лишний воздушное пространство. Уровень вакуума характеризуется концентрацией остающихся в сосуде молекул газа. В случае если уменьшить их количество в литре хотя бы на порядок если сравнивать с окружающей воздухом, это уже будет вакуум (низкий). В 1000 раз меньше частиц в литре — это средний вакуум. В случае если снизить их число в миллион раз — возьмём большой вакуум.

А для очень высокого вакуума (как на орбите неестественных спутников Почвы) потребуется выкачивать молекулы газа , пока в 1 л их не останется всего-навсего каких-то 10 млрд. (1010 из исходных 1022). Задача это очень непростая. Но для чего тратить большие упрочнения, чтобы получить «ничто», вакуум?

Но вакуум — вещь весьма полезная, а время от времени легко нужная.

Нужная пустота

Чем меньше концентрация молекул в газе, тем хуже он проводит тепло. Чем меньше кислорода, тем медленнее происходит окисление — медленнее портятся продукты и ржавеют материалы. Как раз с этими особенностями вакуума и связаны его бытовые применения — к примеру, вакуумная упаковка продуктов. Для нее низкого вакуума с давлением всего в сто раз меньше атмосферного, но каков эффект!

Срок хранения продуктов возрастает многократно. Для сублимационной сушки, будь то кофейные зерна либо плазма крови, нужен средний вакуум, как и для вакуумной плавки в металлургии, разрешающей приобретать весьма чистые материалы.

Кинескоп простого телевизора — не что иное, как вакуумный прибор с высоким вакуумом. Пучок электронов рисует изображение на люминесцентном экране, и дабы электроны совершенно верно попадали в необходимые места, путь их должен быть по возможности свободен от хаотически движущихся молекул. Это вероятно лишь при давлении приблизительно 10−6 мм рт. ст. Существуют и другие высоковакуумные изделия — электронные лампы, из которых собирали первые радиоприемники, а позже и компьютеры.

Но это уже, возможно сообщить, прошедший век: сейчас вакуумные лампы используют только в самых изысканных аудиосистемах, да и электронно-лучевые трубки телевизоров на отечественных глазах уступают место жидкокристаллическим экранам. И однако потребность в вакуумных разработках не только не значительно уменьшается, а непрерывно растет.

Близкий родственник кинескопа — электронный микроскоп. Пучок электронов в вакуумной трубке «ощупывает» рельеф поверхности, разрешая рассмотреть отдельные атомы размером в пара миллиардных долей сантиметра. Электронные микроскопы создают десятки компаний и применяют тысячи научных и производственных лабораторий.

Но в отличие от телевизора данный прибор не просто герметичная электронно-лучевая трубка, а целая установка со своей совокупностью откачки.

Большой вакуум требуется в весов-спектрометрах (устройствах для определения молекулярного состава вещества) и в ускорителях, где до огромных скоростей разгоняют частицы. Кстати, весов-спектрометр — незаменимый инструмент для диагностики самих поиска и вакуумных систем течей. Напыление узких пленок — еще одна область, где без большого вакуума не обойтись.

Так приобретают покрытие и зеркальные стёкла небоскрёбов компакт-дисков. А в некоторых областях современного высокотехнологичного производства применяют уже не только большой, но и очень высокий вакуум.

Нужен вакуум и в быту. Термос — это две положенные колбы, из замкнутого пространства между которыми откачан воздушное пространство, а потому внутренняя колба оказывается превосходно изолирована от внешней среды. Усовершенствование термоса, сделанное Джеймсом Дьюаром в конце XIX века, разрешило применять таковой сосуд (сейчас его именуют дьюар) кроме того для хранения веществ, охлажденных до низких температур.

Дьюар покрыл колбу отражающим материалом, дабы уменьшить теплообмен за счет излучения, и добавил в вакуумированный количество активированный уголь, что при низких температурах особенно действенно поглощает газы и так повышает уровень вакуума.

Между стенками современных дьюаров создают большой вакуум с давлением порядка 10−4 мм рт. ст., исходя из этого в нем возможно хранить, к примеру, жидкий азот в течение нескольких недель.

Сердце вакуумной совокупности

Основной элемент любой вакуумной совокупности — насос. Его задача — высвободить емкость от движущихся молекул. Впредь до очень высокого вакуума трудятся, в большинстве случаев, с насосами проточного типа, каковые «выкидывают» молекулы газа наружу. В сверхвысоком вакууме таковой способ делается неэффективным: проточный насос — это неизменно «дырка» во внешнее пространство, и для поддержания вакуума он должен быть неизменно включен.

Каждая остановка, отключение электроэнергии — и вакуума как не бывало, все нужно будет начинать заново. Более надежным и действенным был второй вариант — применение сорбционных насосов. Располагаясь в вакуумной камеры, они «собирают на себя» все лишние молекулы, очищая от них откачиваемый количество.

К сожалению, насосов, каковые смогут за один этап из давления создавать большой вакуум, не говоря уж о сверхвысоком, не существует. На входе высоковакуумного насоса уже должно быть пониженное давление, в противном случае он не сможет трудиться.

Исходя из этого для получения большого и очень высокого вакуума применяют каскады из двух либо кроме того трех различных насосов: сперва ставят несложной предварительный (форвакуумный) насос, что «откачивает» воздушное пространство из промежуточного насоса, а на последней стадии в шепетильно откачанной и герметично закрытой вакуумной камере включают какой-нибудь сорбционный насос. А оценивают степень достигнутой пустоты посредством особых устройств — вакууметров.

Масло — приятель либо неприятель?

Продолжительное время среди вакуумщиков особенной популярностью пользовались два рабочих вещества — ртуть и масло. В несложных вакуумных совокупностях и по сей день часто возможно встретить масляные насосы Геде. Масло играет роль смазки для прослойки и ротора, изолирующей внутренний количество от внешнего.

Для большого вакуума тот же Геде в первый раз обрисовал второй тип конструкции — так называемый диффузионный насос, разрешающий взять вакуум до 10−8 мм рт. ст.

Но вместе с развитием разработки изменяются и приоритеты. В современных каталогах вакуумной техники рядом с указанием типа насоса кроме «проточный» либо «сорбционный» довольно часто имеется еще одна черта: «безмасляный» либо «сухой». «Безмасляный» свидетельствует, что масла нет нигде в насосе, кроме того в виде смазки. А вдруг смазка все же имеется, но шепетильно изолирована от рабочей территории, пишут, что насос «сухой».

Из года в год масляных насосов в перечне остается меньше и меньше. В чем же обстоятельство таковой нелюбви к маслу? Дело в том, что, не обращая внимания на все ухищрения, молекулы масла все же попадают в вакуумную камеру.

В высоком вакууме положение еще возможно спасти посредством ловушек, а в сверхвысоком такое загрязнение сводит все усилия на нет.

Подводные камни

Совершенствование вакуума напоминает перемещение к полному нулю температуры: чем ближе заветная цель, тем тяжелее дается любой следующий ход. Заберём совокупность современных вакуумных насосов достаточной производительности и попытаемся опустошить имеющуюся емкость. Преодолеть первые 7 порядков не составит особенного труда (от давления до 10−4 мм рт. ст.).

Дальше дело отправится помедленнее, но, прождав терпеливо несколько часов, убедимся, что давление уменьшилось еще на два порядка. На следующий порядок потребуются уже дни, и вдобавок через сутки постоянной работы и бесплодных поисков течи мы осознаем, что положение безнадежно: давление никак не желает опускаться ниже отметки приблизительно 10−7 мм рт. ст.

Умелый эксперт сходу укажет нам на неточность — мы не прогрели совокупность. Выясняется, на поверхности любого материала неизменно адсорбировано маленькое количество газов. В простых условиях это не имеет значения, а вот в вакууме все эти «растворенные» молекулы начинают неспешно выходить наружу: как говорят вакуумщики, материал «газит», загрязняя вакуумную камеру и не разрешая снизить давление.

Радикальное решение проблемы — нагреть все, что должно соприкасаться с высоким вакуумом, и подержать в нагретом состоянии, пока все адсорбированные газы под действием теплового перемещения не выйдут наружу. Данный процесс именуется дегазацией. Дабы в установке взять вакуум 10−10 мм рт. ст., необходимо выдержать ее при 2000С, а для 10−12 мм рт. ст. — уже при 4000С.

Стоит открыть вакуумируемый количество, дабы разместить пример либо что-то отремонтировать, и нужно будет начинать все сперва — опять прогревать и опять откачивать.

Много хлопот доставляет вакуумщикам самый легкий газ — водород. Молекулы водорода, самые мелкие по размеру, при комнатной температуре движутся с самыми громадными скоростями — практически 2000 м/с. В низком и среднем вакууме неприятностей с этим газом нет.

Но в то время, когда доходит до большого вакуума, оказывается, что со стремительными молекулами водорода не смогут совладать кроме того самые скоростные турбомолекулярные насосы, приходится ставить дополнительный насос либо делать комбинированные совокупности — к примеру, распылять прекрасно поглощающий водород титан.

Сверхпустота

Особенная неприятность — очень высокий вакуум. Для изготовления сверхвысоковакуумных устройств пригодны лишь вещества с низким давлением паров в условиях рабочих температур, другими словами те, каковые испаряются очень медлительно, не успевая загрязнить вакуумную камеру. Такие материалы возможно пересчитать по пальцам: алюминий, медь, тантал, титан, вольфрам, молибден, железо, платина, серебро к тому же пара-тройка металлов, особые кварцевое стекло и вакуумные керамики.

Причем материалы должны быть весьма чистыми (к примеру, содержание примесей в меди — не более 0,001%). Но кроме того при соблюдении всех мыслимых условий удержать вакуум выше 10−8 мм рт. ст. возможно лишь одним методом — за счет безостановочной работы насосов.

И все же овчинка выделки стоит. В сверхвысоком вакууме так мало молекул, что каждая поверхность продолжительно остается безукоризненно чистой. Для определения качества вакуума кроме того ввели особенный параметр — время, за который поверхность покрывается слоем толщиной в одну молекулу. Для вакуума 10−8 мм рт. ст. это всего пара мин., а для 10−10 мм рт. ст. — уже пара часов.

За это время в полной мере возможно успеть нанести материал на подложку фактически в совершенных условиях и с совершенным качеством. Сейчас интегральные схемы и многие полупроводниковые устройства изготавливают способом молекулярно-лучевой эпитаксии: в условиях очень высокого вакуума нужную структуру «выкладывают» практически слой за слоем в нужной последовательности, приобретая элемент минимальных размеров с нужными особенностями. И это не научные опыты, а производство: быстродействующих интегральных схем, элементов сотовых телефонов, лазерных диодов и фотоприемников, которыми мы пользуемся, не вспоминая об их «вакуумном» происхождении.

Лет десять лет назад в Европейском центре ядерных изучений смогли взять первые атомы антиводорода — первое неестественное антивещество. Необходимо было как-то предохранить эти неповторимые экземпляры от мгновенной аннигиляции с простым веществом, дабы они пожили хотя бы некое время. Для этого в особой криогенной ловушке был создан вакуум на уровне 10−17 мм рт. ст., в то время, когда в каждом литре остается всего пара десятков частиц.

А это уже фактически пустота — теннисные мячики, разбросанные на территории в пара сот квадратных километров. Лишь в таких условиях удалось на некое время удержать и приблизительно сосчитать полученные антиатомы.

Природа не терпит пустоты

Представим, что мы достигли немыслимого совершенства и убрали все атомы, молекулы и ионы. Но с физической точки зрения это еще не пустота: так как пространство заполнено миллиардами неуловимых нейтрино и электромагнитными волнами, каковые не мешают создавать технический вакуум. Пускай нам удалось избавиться и от этого, создав в чистом виде физический вакуум, где по определению нет никаких настоящих частиц.

Возможно ли вычислять его безотносительной пустотой? Оказывается, нет! Современная теория гласит, что в физическом вакууме всегда рождаются и исчезают виртуальные частицы.

На практике это ведет к сдвигу энергетических уровней в атомах а также к появлению дополнительного давления, создаваемого этими частицами, которое носит название результата Казимира. Так что не смотря на то, что Демокрит и был прав, говоря про пустоту и атомы, он, по-видимому, и не подозревал, что сама пустота возможно так же неисчерпаема, как и атом.

Испытания с пустотой

Отто фон Герике, бургомистр германского города Магдебурга в середине XVII века, был хорошим популяризатором и любознательным человеком: эффектные представления для широкой публики в большой степени содействовали росту интереса к научным изучениям. Именно в то время благодаря работам ученых сформировалось понятие об свойствах воздуха и атмосферном давлении как некоей субстанции.

Галилей доказал, что воздушное пространство имеет вес: он демонстрировал, как сосуд, где воздушное пространство разрежен, меньше погружается в воду. А Торричелли в собственных известных опытах по измерению давления взял вакуум над ртутным столбиком. Испытания по созданию пустоты решил повторить и Отто фон Герике.

Он заполнил бочку водой, подсоединил к ней насос и начал выкачивать воду. Но обода бочки сразу же треснули.

С более прочной бочкой произошло то же самое. Тогда Герике забрал бронзовый сосуд. Поршень сперва двигался легко, позже все тяжелее, и внезапно «неожиданно, ко общему кошмару, шар со ужасным шумом разлетелся на небольшие куски, как если бы он был скинут с высочайшей башни». Так обрисовал это событие Герике в собственной книге «Новые магдебургские испытания о безлюдном пространстве».

Среди самых эффектных опытов Герике — опыт, в первый раз продемонстрированный в первой половине 50-ых годов XVII века в Регенсбурге императору Фердинанду III. Отто фон Герике забрал две бронзовые чаши (магдебургские полушария) и сложил их совместно, взяв полую сферу диаметром около 35 см. В то время, когда из сферы откачали воздушное пространство, две восьмерки лошадей не смогли растащить прижатые друг к другу полушария, удерживаемые лишь атмосферным давлением.

Работа с вакуумом увлекла бургомистра. Он придумывал остроумные опыты, результаты которых изумляли самого автора не меньше, чем зрителей, и разрабатывал устройства для откачки воздуха. Собственный первый вакуумный насос Отто фон Герике сделал во второй половине 40-ых годов XVII века, позже усовершенствовал его а также выстроил первые многоуровневые совокупности откачки. Так 400 лет назад было положено начало вакуумной технике.

А созданному в 1995 году в Магдебурге университету было присвоено имя Отто фон Герике.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№45, июль 2006).

Атомы и пустота. Демокрит. Античный атомизм. ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА. ЧАСТЬ 1. АТОМЫ.№11


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: