Вакуум: определение, виды и свойства¶

Вакуум (от лат. vacuum — пустота) — среда, в которой отсутствует или значительно снижено давление газа по сравнению с атмосферным. В техническом смысле вакуумом называют состояние газа при давлении ниже атмосферного (101,3 кПа); в физике — состояние, при котором концентрация частиц вещества настолько мала, что их взаимодействием можно пренебречь. Строго говоря, абсолютная пустота (полное отсутствие вещества) в природе недостижима, поэтому термин всегда подразумевает относительное разрежение.

¶Физическая природа

В классическом понимании вакуум — это газ при низком давлении. Однако в современной физике (квантовой теории поля) вакуум рассматривается как основное состояние квантовых полей, обладающее ненулевой энергией. В этом состоянии постоянно рождаются и аннигилируют виртуальные частицы, что приводит к таким эффектам, как поляризация вакуума и эффект Казимира.

Давление газа в вакууме определяется ударами молекул о стенки сосуда. При снижении давления длина свободного пробега молекул (среднее расстояние между столкновениями) возрастает. Когда она становится сравнимой с размерами сосуда, газ переходит в режим свободномолекулярного течения, где молекулы движутся независимо друг от друга.

¶Классификация по степени разрежения

В зависимости от давления вакуум подразделяют на несколько диапазонов (значения приблизительны и различаются в разных источниках):

В космическом пространстве давление чрезвычайно низкое — порядка 10⁻¹¹ Па в межзвёздной среде и ниже в межгалактическом пространстве, что соответствует экстремально высокому вакууму.

¶Способы получения

Для создания вакуума используются вакуумные насосы различных типов. Механические насосы (поршневые, пластинчато-роторные, винтовые) создают низкий и средний вакуум, откачивая газ объёмным вытеснением. Форвакуумные насосы служат предварительной ступенью для более глубоких ступеней откачки.

Для получения высокого и сверхвысокого вакуума применяются:

• турбомолекулярные насосы — отбрасывают молекулы быстро вращающимися лопатками;
• диффузионные насосы — увлекают газ струёй масляного пара;
• криогенные насосы — конденсируют газ на поверхностях, охлаждённых до температур жидкого гелия или азота;
• ионно-геттерные (сорбционные) насосы — поглощают газ химически активными материалами и ионизацией;
• магниторазрядные насосы — сочетают ионизацию газа электрическим разрядом и поглощение ионов титановым катодом.

Важную роль играет также обезгаживание — удаление газов, адсорбированных на стенках вакуумной камеры, путём прогрева при температурах 150–400 °C.

¶Измерение вакуума

Давление в вакуумных системах измеряют вакуумметрами. Для низкого и среднего вакуума применяют механические (деформационные) и жидкостные манометры. Для высокого вакуума используют:

• тепловые (термопарные, сопротивления) вакуумметры — измеряют теплопроводность остаточного газа;
• ионизационные вакуумметры — измеряют ионный ток, создаваемый ионизацией газа электронами;
• магнитные электроразрядные вакуумметры — работают на основе холодного катода.

Единицей давления в системе СИ является паскаль (Па); также применяются миллибар, торр (мм рт. ст.), техническая и физическая атмосфера.

¶Применение

Вакуумная техника широко используется в науке, промышленности и быту.

Промышленность. В пищевой промышленности вакуумная упаковка продлевает срок хранения продуктов, замедляя окисление и развитие микроорганизмов. Вакуумная сублимационная сушка (лиофилизация) сохраняет структуру и свойства продуктов и лекарств. В металлургии вакуумная плавка и вакуумно-дуговой переплав позволяют получать металлы высокой чистоты, а вакуумное напыление — наносить тонкие плёнки (зеркала, покрытия на инструменты).

Электроника. Вакуум необходим в производстве полупроводниковых приборов, электронно-лучевых трубок, рентгеновских аппаратов. В микроэлектронике вакуумная литография и осаждение плёнок требуют сверхвысокого вакуума для предотвращения загрязнения подложек.

Наука. Ускорители заряженных частиц (например, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе) работают в условиях сверхвысокого вакуума, чтобы пучки частиц не сталкивались с молекулами остаточного газа. Электронные и ионные микроскопы требуют вакуума для беспрепятственного распространения пучков. В исследованиях поверхности (спектроскопия, сканирующая зондовая микроскопия) вакуум обязателен для сохранения чистоты образцов.

Транспорт. Вакуумные тормозные системы применяются на железнодорожном транспорте. Идея вакуумного поезда (Hyperloop) предполагает движение капсул в трубе с пониженным давлением для снижения аэродинамического сопротивления.

Бытовая техника. Пылесосы создают частичный вакуум для всасывания воздуха с пылью. Вакуумные термосы имеют двойные стенки с откачанным пространством, что снижает теплопередачу.

Медицина. Вакуумная аспирация используется в хирургии и стоматологии, вакуумная терапия ран способствует заживлению. Вакуумные системы забора крови стандартизируют процедуру анализа.

¶Интересные факты

• В вакууме звук не распространяется, поскольку нет среды для передачи механических колебаний.
• Вакуум является отличным теплоизолятором, что используется в термосах и криогенной технике.
• Эффект Казимира — притяжение двух близко расположенных пластин в вакууме — обусловлен квантовыми флуктуациями и экспериментально подтверждён.
• В вакууме некоторые материалы (например, смазки) испаряются быстрее, что усложняет создание механизмов для космоса.
• Абсолютный вакуум в лабораторных условиях не достигнут; рекордно низкие давления составляют порядка 10⁻¹¹ Па.