Гази в атмосфері і космосі

Якщо облишити земні лабораторії з їх складними вакуумними установками і уявно перенестися у верхні шари атмосфери і космос, то тут сама природа створила наднизькі тиски. В атмосфері немає різкої межі. Це — один з наслідків того, що швидкості газових молекул різні. Якби цього не було, молекули могли б підні¬матися лише на строго визначену висоту, як злітає завжди на одну і ту ж висоту камінь, коли його з заданою швидкістю кинути вгору. Наявність в газі швидких частинок призводить ще до одного важливого наслідку — планети повільно, але безперервно втрачають свою атмосферу. Справді, завжди наявна деяка кількість молекул, швидкість яких перевищує другу космічну швидкість, потрібну для подолання тяжіння планети. Для Землі ця швидкість становить 11,2 км/с, а частка молекул з такими швидкостями надзвичайно мізерна. Тому Землі в доступному для огляду майбутньому не загрожує небезпека залишитися без атмосфери. Однак для легших небесних тіл друга космічна швидкість набагато менша, і вони набагато швидше втрачають атмосферу. Так, для Місяця ця швидкість становить всього 2,4 км/с, і тому він протягом тривалої історії міг повністю втратити свою атмосферу.
Наднизькі тиски у космосі дають змогу безпосередньо виконувати такі роботи, які на Землі можна здійснювати тільки в спеціальних вакуумних камерах.
Були використані роботи А.Г.Наумовця, академіка НАН України

Явища на поверхні твердих тіл

Розглянемо, що відбувається з молекулами, які вдаряються об поверхню. Це важливо, бо на використанні поверхневих явищ грунтуються найпрогресивніші методи відкачування газів.
Почнемо з розгляду деяких властивостей поверхні на атомарному рівні. В більшості твердих тіл атоми розташовані у просторі в певному порядку. Це залежить від типу кристалічної структури тіла. Однак не менш суттєво, що всі атоми, в тому числі і поверхневі, ніколи не перебувають у спокої, а безперервно коливаються відносно своїх рівноважних положень у кристалічній решітці. Як довела квантова механіка, коли б вдалося охолодити тіло до абсолютного нуля, то й за цих умов атоми продовжували б коливатися. Під час пониження температури коливання атомів повністю не затухають, а лише зменшуються до деякої кінцевої величини.
Отже, на атомарному рівні тверде тіло виявляється не таким уже й твердим, а швидще нагадує модель з великої кількості важких кульок — атомів, що зв'язані між собою жорсткими пружинками.
Частота і амплітуда коливань атомів твердого тіла залежать від його температури.
При попаданні молекули на поверхню події в залежності від конкретних умов можуть розвиватися по-різному. Наприклад, молекула зазнає пружних співударів з поверхневим атомом і відразу знову покидає поверхню. Набагато часті¬ше налітаюча молекула «прилипає» до поверхні, або, як кажуть, адсорбується на ній, і продовжує утримуватися в такому стані якийсь час, здійснюючи коливання разом з іншими атомами твердого тіла. Час існування молекули на поверхні може змінюватися в широких межах — до кількох століть і навіть більше. Все залежить від того, які сили зв'язують молекулу з поверхнею, їх фізична природа може бути різною.
По-перше, всі атоми незалежно від їх хімічних властивостей притягуються один до одного так званими силами Ван дер Ваальса. Ці сили, як пояснює квантова механіка, виникають внаслідок того, що електронна оболонка будь-якого атома здатна швидко деформуватися, і при цьому атом уподібнюється диполю, тобто системі близько розташованих позитивного і негативного зарядів. Диполь створює навколо себе електричне поле, яке діє на електронну оболонку сусіднього атома, а та, в свою чергу, зворотно впливає на перший атом. Таким чином, електрони кожного атома «відчувають» наявність сусідів і дещо змінюють свій рух, а це означає, що між атомами існує деяка взаємодія. Енергія останньої звичайно дуже мала. Так, саме силами Ван дер Ваальса зв'язуються атоми, наприклад у зріджених газах — кисні, азоті, неоні і т. д. Відомо, що температури їх кипіння дуже низькі (для гелію — 4,2° К, для інших зріджених газів — декілька десятків градусів Кельвіна). Це і свідчить про слабкість сил притягання між атомами і молекулами. Тому утримуватись такими силами на поверхні твердого тіла атоми і молекули газу можуть також лише при понижених температурах.
Сили Ван дер Ваальса, хоча і виникають між атомами будь-яких елементів, є найслабкішими серед міжатомних сил. Незрівнянно потужніші так звані обмінні сили. їх відмітною рисою е те, що вони можуть діяти не між будь-якими атомами, а лише між атомами з певними хімічними властивостями, а саме: електронні оболонки атомів повинні бути такими, щоб на них «було місце» для приймання зайвих електронів. Такі атоми при наближенні починають активно обмінюватись електронами, внаслідок чого і виникає обмінна сила. Це, наближено, результат притягання позитивно заряджених ядер до негативного згустка електронів, що утворюється між ними. Крім цього, коли взаємодіють атоми різної природи, один з них може притягувати до себе частину електронної хмарки свого партнера. Таким чином, один з них стає в цілому позитивним, сили притягання між ними роблять внесок в енергію хімічного зв'язку. Взагалі при наявності обміну електронів між атомами енергія зв'язку виявляється в 10—50 разів більшою, ніж при дії лише Ван дер Ваальсових сил.
Були використані роботи А.Г.Наумовця, академіка НАН України

Що таке вакуум?

Середня довжина вільного пробігу молекул обернено пропорційна кількості їх в одиниці об`єму, тобто концентрації молекул. Треба зважити, що чим більша концентрація молекул, тим більший тиск газу (тому що при цьому більша кількість молекул ударяється об стінку посудини, наповненої газом). Таким чином, довжина вільного пробігу повинна бути обернено пропорційна тиску газу. Якщо підставити кількісні значення відповідних величин, то для основної компоненти повітря – азоту виходить:
l (в см) = 0,005/Р (в мм рт.ст.)
Тут l – довжина вільного пробігу молекул в сантиметрах, а P – тиск газу в міліметрах ртутного стовпчика. Значить, якщо ми будемо будь-яким способом відкачувати газ із посудини, то молекули стануть пролітати все більші відстані між зіткненням. Нарешті, при деякому тиску середня довжина вільного пробігу молекул зрівняється з розмірами посудинами. При цьому молекули дуже рідко стикатимуться одна з одною в об`ємі посудини (ще раз потрібно нагадати, що l – середня величина), в основному ж вони рухаються вільно від однієї стінки посудини до другої.
Такий стан газу, коли довжина вільного пробігу молекул перевищує розміри посудини або дорівнює їм, і називається вакуумом. З цього визначення стає ясно, що поняття «вакуум» не має абсолютного характеру і не рівнозначне поняттю «низький тиск газу». Наприклад, в багатьох твердих тілах є пустоти або пори, розміри яких становить близько мікросантиметр. Очевидно, що в таких порах газ уже при атмосферному тискові перебуває в стані вакууму. З іншого боку, можливий і такий випадок, коли тиск газу дуже низький, але розміри області, скажімо, відстані між небесними тілами – надзвичайно великі. Через це моделлю міжзоряного простору в установці «земних» розмірів служить газ дуже великої густини, а не сильно розріджений.
Звичайно, розміри будь-якого космічного апарата незрівнянно менші довжини вільного пробігу частинок у космосі. В цьому розумінні і говорять про «космічний» вакуум.

У світі пустоти

"Природа боїться пустоти" - це твердження належить Арістотелю. Він дійшов такого висновку аналізуючи властивості простору і речей.
у стародавні часи та в середні віки наука розвивалась досить повільно, і навіть Г. Галілей ще користувався поняттям "страху пустоти".
Незабаром послідовник Галілея - Торрічеллі поставив свої славетні досліди. Опустивши в посудину з ртуттю запаяну на одному кінці трубку, в яку також була налита ртуть, він пересвідчився, що над ртутним стовпчиком (близько 760 мм) у скляній трубці утворюється пустота. Потім було встановлено, що висота стовпчика ртуті зменшується, якщо підніматися вгору, і цим було остаточно доведено, що справа тут не в містичному страхові пустоти, а в існуванні вагового тиску повітря, тобто атмосферного тиску. В середині XVII ст. О.Геріке сконструював повітряний насос. Це дало змогу здійснити ефектний дослід: Восьмеро коней не могли розірвати двох складених разом порожнистих півкуль, з яких було викачане повітря. З цього часу і почався розвиток вакуумної техніки (по латині "вакуум" - пустота).
В цьому блозі давайте знайомитись з сучасними досягненями науки і технології в цій галузі, з тим, як одержують і вимірюють наднизькі тиску, для чого їх використовують, які цікаві фізичні явища спостерігаються у вакуумі
Вогонь без тепла, сонце без світла,
Душі пустота…
Вода без життя, ліс без дерев,
Небо без хмар,
Душі пустота…
Очі без радості, серце без любові,
Вени без крові,
Душі пустота…
Німа тишина, безмовний крик сірих очей,
Важка пустота бездомних ночей,
Пустота…
Ні болю, ні плачу, ні сміху, ні радості.
Пустота.
Вірш взято з http://maysterni.com/publication.php?id=34957