Вакуум – бул эч кандай зат жок мейкиндик. Колдонмо физикада жана технологияда атмосфералык басымдан азыраак басымда газ камтылган чөйрөнү билдирет. Кайсы газдар биринчи жолу ачылган?
Тарых барактары
Боштук идеясы кылымдар бою талаш-тартыш болуп келген. Сейрек кездешүүчү газдар байыркы грек жана рим философторун талдоого аракет кылышкан. Демокрит, Лукреций, алардын шакирттери: эгерде атомдордун ортосунда бош мейкиндик болбосо, алардын кыймылы мүмкүн эмес деп эсептешкен.
Аристотель жана анын жолдоочулары бул түшүнүктү жокко чыгарышкан, алардын ою боюнча, табиятта «боштук» болбошу керек. Орто кылымдарда Европада "боштуктан коркуу" идеясы артыкчылыктуу болуп, ал диний максаттарда колдонулган.
Байыркы Грециянын механикасы техникалык түзүлүштөрдү түзүүдө абанын сейрек болуусуна негизделген. Мисалы, поршеньдин үстүндө вакуум пайда болгондо иштеген суу насостору Аристотелдин убагында пайда болгон.
Газдын, абанын сейрек кездешүүчү абалы азыркы учурда технологияда кеңири колдонулуп жаткан поршендик вакуумдук насосторду жасоо үчүн негиз болуп калды.
Алардын прототиби Александриялык Герондун атактуу поршеньдүү шприцтери болгон, ал өзү жараткан.ириңди чыгаруу.
XVII кылымдын ортосунда биринчи вакуумдук камера иштелип чыккан, алты жылдан кийин немис окумуштуусу Отто фон Герик биринчи вакуумдук насосту ойлоп табууга жетишкен.
Бул поршень цилиндри мөөр жабылган контейнерден абаны оңой сорду жана ал жерде вакуумду түздү. Бул жаңы мамлекеттин негизги мүнөздөмөлөрүн изилдөөгө, анын эксплуатациялык касиеттерин талдоого мүмкүндүк берди.
Техникалык вакуум
Иш жүзүндө газдын, абанын сейрек кездешүүчү абалы техникалык вакуум деп аталат. Чоң көлөмдө мындай идеалдуу абалды алуу мүмкүн эмес, анткени белгилүү бир температурада материалдар нөлгө барабар эмес каныккан буу тыгыздыгына ээ.
Идеалдуу вакуумду алуу мүмкүн эместигинин себеби, ошондой эле газ түрүндөгү заттардын айнек, идиштердин металл дубалдары аркылуу өтүшү.
Аз өлчөмдө сейрек кездешүүчү газдарды алууга толук мүмкүн. Сейрек кездешүүнүн өлчөмү катары кокус кагылышкан газ молекулаларынын эркин жолу, ошондой эле колдонулган идиштин сызыктуу өлчөмү колдонулат.
Техникалык вакуумду атмосферадагыдан азыраак басымы бар түтүктөгү же идиштеги газ катары кароого болот. Төмөн вакуум газдын атомдору же молекулалары бири-бири менен кагылышын токтоткондо пайда болот.
Алдынкы вакуум жогорку вакуумдук насос менен атмосфералык абанын ортосуна коюлуп, алдын ала вакуум пайда болот. Басым камерасы кийинки азайган учурда газ бөлүкчөлөрүнүн жол узундугунун көбөйүшү байкалат.заттар.
Басым 10 -9 Па чейин болгондо, өтө жогорку вакуум пайда болот. Дал ушул сейрек кездешүүчү газдар сканерлөөчү туннелдик микроскоптун жардамы менен эксперименттерди жүргүзүү үчүн колдонулат.
Кээ бир кристаллдардын тешикчелеринде мындай абалды атмосфералык басымда да алууга болот, анткени тешикчелердин диаметри эркин бөлүкчөнүн эркин жолунан бир топ кичине.
Вакуумга негизделген шаймандар
Газдын сейрек кездешүүчү абалы вакуумдук насостор деп аталган түзүлүштөрдө активдүү колдонулат. Алуучу газдарды соруп, белгилүү бир вакуумду алуу үчүн колдонулат. Вакуумдук технология ошондой эле бул абалды көзөмөлдөө жана өлчөө, ошондой эле объекттерди башкаруу, ар кандай технологиялык процесстерди жүргүзүү үчүн зарыл болгон көптөгөн приборлорду камтыйт. Сейрек кездешүүчү газдарды колдонгон эң татаал техникалык түзүлүштөр – бул жогорку вакуумдук насостор. Мисалы, диффузиялык түзүлүштөр жумушчу газ агымынын таасири астында калган газ молекулаларынын кыймылынын негизинде иштейт. Идеалдуу вакуумда да акыркы температурага жеткенде жылуулук нурлануусу аз болот. Бул сейрек кездешүүчү газдардын негизги касиеттерин түшүндүрөт, мисалы, дене менен вакуумдук камеранын дубалдарынын ортосунда белгилүү бир убакыт аралыгы өткөндөн кийин жылуулук тең салмактуулуктун башталышы.
Рефицирленген монотомдуу газ эң сонун жылуулук изолятору. Анда жылуулук энергиясын берүү радиациянын жардамы менен гана ишке ашырылат, жылуулук өткөрүмдүүлүк жана конвекция эмес.байкалат. Бул касиет ортосунда вакуум бар эки контейнерден турган Дьюар идиштеринде (термостарда) колдонулат.
Вакуум радио түтүктөрдө кеңири колдонулат, мисалы, кинескоптордун магнетрондорунда, микротолкундуу мештерде.
Физикалык боштук
Кванттык физикада мындай абал кванттык талаанын негизги (эң төмөнкү) энергетикалык абалын билдирет, ал кванттык сандардын нөлдүк маанилери менен мүнөздөлөт.
Мындай абалда бир атомдук газ толук бош эмес. Кванттык теорияга ылайык, виртуалдык бөлүкчөлөр системалуу түрдө физикалык вакуумда пайда болуп, жок болуп кетишет, бул талаалардын нөлдүк термелүүсүн шарттайт.
Теориялык жактан алганда, энергиянын тыгыздыгы, ошондой эле башка физикалык мүнөздөмөлөрү боюнча айырмаланган бир нече түрдүү вакуумдар бир убакта болушу мүмкүн. Бул идея инфляциялык чоң жарылуу теориясынын негизи болуп калды.
Жалган вакуум
Бул кванттык теориядагы талаанын абалын билдирет, ал минималдуу энергияга ээ болгон абал эмес. Ал белгилүү бир убакыт аралыгында туруктуу болот. Негизги физикалык чоңдуктардын талап кылынган маанилерине жеткенде, жалган абалды чыныгы вакуумга "туннельдештирүү" мүмкүнчүлүгү бар.
Кошмос
Сейректелген газ эмнени билдирерин талкуулоодо «космостук вакуум» түшүнүгүнө токтоло кетүү зарыл. Аны физикалык вакуумга жакын деп эсептесе болот, бирок жылдыздар аралыкта баркосмос. Планеталар, алардын табигый спутниктери, көптөгөн жылдыздар атмосфераны белгилүү бир аралыкта кармап турган белгилүү бир тартуу күчтөрүнө ээ. Жылдыздуу объекттин бетинен алыстаган сайын сейрек кездешүүчү газдын тыгыздыгы өзгөрөт.
Мисалы, Карман сызыгы бар, ал планетанын чек арасынын космос мейкиндиги менен жалпы аныктама болуп эсептелет. Анын артында изотроптук газ басымынын мааниси күн радиациясына жана күн шамалынын динамикалык басымына салыштырмалуу кескин төмөндөйт, ошондуктан сейрек кездешүүчү газдын басымын чечмелөө кыйын.
Кошмос мейкиндиги фотондорго, реликтик нейтринолорго толгон, аларды аныктоо кыйын.
Өлчөө өзгөчөлүктөрү
Вакуумдун даражасы адатта системада калган заттын саны менен аныкталат. Бул абалды өлчөөнүн негизги мүнөздөмөсү абсолюттук басым болуп саналат, мындан тышкары газдын химиялык курамы жана анын температурасы эске алынат.
Вакуум үчүн маанилүү параметр системада калган газдардын жол узундугунун орточо мааниси болуп саналат. Өлчөө үчүн зарыл болгон технологияга ылайык вакуумдун белгилүү диапазондорго бөлүнүшү бар: жалган, техникалык, физикалык.
Вакуумда калыптандыруу
Бул заманбап термопластикалык материалдардан ысык формада абанын төмөн басымы же вакуум аракети аркылуу жасалган буюмдар.
Вакуумдук калыптандыруу чийүү ыкмасы болуп эсептелет, анын натыйжасында пластмасса барак ысытылат,матрицанын үстүндө, белгилүү бир температуралык мааниге чейин жайгашкан. Андан кийин барак матрицанын формасын кайталайт, бул анын менен пластмасса ортосунда вакуумдун пайда болушуна байланыштуу.
Электровакуум аппараттары
Алар электромагниттик энергияны түзүү, күчөтүү жана айландыруу үчүн иштелип чыккан түзүлүштөр. Мындай түзүлүштө аба жумушчу мейкиндигинен чыгарылып, айлана-чөйрөдөн коргоо үчүн өткөрбөй турган кабык колдонулат. Мындай приборлорго электрондор вакуумга туура келген электрондук вакуумдук приборлор мисал боло алат. Кызытуу лампалары да вакуумдук түзүлүштөр катары каралышы мүмкүн.
Төмөн басымдагы газдар
Эгерде анын тыгыздыгы анчалык деле жок болсо, ал эми молекулалык жолдун узундугу газ жайгашкан идиштин чоңдугуна окшош болсо, газ сейректелген деп аталат. Мындай абалда газдын тыгыздыгына жараша электрондордун санынын азайышы байкалат.
Өтө сейрек кездешүүчү газда ички сүрүлүү дээрлик болбойт. Анын ордуна, кыймылдуу газдын дубалдарга сырткы сүрүлүүсү пайда болот, бул молекулалардын идиш менен кагылышып жаткан импульстарынын өзгөрүшү менен түшүндүрүлөт. Мындай кырдаалда бөлүкчөлөрдүн ылдамдыгы менен газдын тыгыздыгынын ортосунда түз пропорционалдык бар.
Аз вакуумда газ бөлүкчөлөрүнүн толук көлөмдөгү тез-тез кагылышуулары байкалат, алар жылуулук энергиясынын туруктуу алмашуусу менен коштолот. Бул заманбап технологияда жигердүү колдонулган өткөрүп берүү кубулушун (диффузия, жылуулук өткөрүмдүүлүк) түшүндүрөт.
Сейректелген газдарды алуу
Вакуумдук приборлорду илимий изилдөө жана иштеп чыгуу XVII кылымдын орто ченинде башталган. 1643-жылы италиялык Торричелли атмосфералык басымдын маанисин аныктоого жетишкен жана О. Герик атайын суу пломбалуу механикалык поршеньдик насосту ойлоп тапкандан кийин сейрек кездешүүчү газдын мүнөздөмөлөрүн көптөгөн изилдөөлөрдү жүргүзүүгө реалдуу мүмкүнчүлүк пайда болгон. Ошону менен бирге вакуумдун тируу жандыктарга тийгизген таасиринин мумкунчулуктеру изилденген. Электр разряды бар вакуумда жүргүзүлгөн эксперименттер терс электрондун, рентген нурланышынын ачылышына салым кошкон.
Вакуумдун жылуулукту изоляциялоо жөндөмдүүлүгүнүн аркасында жылуулук берүүнүн ыкмаларын түшүндүрүү, теориялык маалыматты заманбап криогендик технологияны өнүктүрүү үчүн колдонуу мүмкүн болду.
Шаңсоргучту колдонуу
1873-жылы биринчи электровакуумдук аппарат ойлоп табылган. Алар орус физиги Лодыгин тарабынан түзүлгөн ысытуу лампага айланган. Ошол убактан бери вакуумдук технологияны практикалык колдонуу кеңейди, бул абалды алуу жана изилдөөнүн жаңы ыкмалары пайда болду.
Кыска убакыттын ичинде вакуумдук насостордун ар кандай түрлөрү түзүлдү:
- ротациялық;
- криосорбция;
- молекулярдык;
- диффузия.
XX кылымдын башында академик Лебедев вакуумдук өнөр жайдын илимий негиздерин өркүндөтүүгө жетишкен. Өткөн кылымдын ортосуна чейин окумуштуулар 10-6 Падан аз басымды алуу мүмкүнчүлүгүнө жол беришкен эмес.
БУчурда вакуумдук системалар агып кетпеш үчүн бүт металлдан курулган. Вакуумдук криогендик насостор илимий лабораторияларда гана эмес, ар кандай тармактарда да колдонулат.
Мисалы, колдонулган объектти булгабаган атайын эвакуациялоо каражаттары иштелип чыккандан кийин вакуумдук технологияны колдонуунун жаңы перспективалары пайда болду. Химияда мындай системалар таза заттардын касиеттерин сапаттык жана сандык анализдөө, аралашманы компоненттерге бөлүү, ар кандай процесстердин ылдамдыгын анализдөө үчүн активдүү колдонулат.
