ואקום הוא חלל שאין בו חומר. בפיזיקה וטכנולוגיה יישומית, המשמעות היא תווך שבו גז כלול בלחץ נמוך מהלחץ האטמוספרי. מה היו גזים נדירים כשהם התגלו לראשונה?
דפי היסטוריה
רעיון הריקנות היה נקודת מחלוקת במשך מאות שנים. גזים נדירים ניסו לנתח את הפילוסופים היוונים והרומאים הקדומים. דמוקריטוס, לוקרטיוס, תלמידיהם האמינו: אם לא היה מקום פנוי בין האטומים, תנועתם תהיה בלתי אפשרית.
אריסטו וחסידיו הפריכו את המושג הזה, לדעתם, לא צריך להיות "ריקנות" בטבע. בימי הביניים באירופה, הרעיון של "פחד מהריק" הפך לעדיפות, הוא שימש למטרות דתיות.
המכניקה של יוון העתיקה, בעת יצירת מכשירים טכניים, התבססה על נידוף אוויר. לדוגמה, משאבות מים שפעלו כאשר נוצר ואקום מעל הבוכנה הופיעו בזמנו של אריסטו.
המצב הנדיר של גז, אוויר, הפך לבסיס לייצור משאבות ואקום בוכנות, שנמצאות כיום בשימוש נרחב בטכנולוגיה.
אב הטיפוס שלהם היה מזרק הבוכנה המפורסם של הרון מאלכסנדריה, שנוצר על ידולמשוך מוגלה.
באמצע המאה השבע-עשרה פותח תא הוואקום הראשון, ושש שנים לאחר מכן הצליח המדען הגרמני אוטו פון גוריק להמציא את משאבת הוואקום הראשונה.
גליל הבוכנה הזה הוציא אוויר בקלות ממיכל אטום, ויצר שם ואקום. זה איפשר ללמוד את המאפיינים העיקריים של המדינה החדשה, לנתח את המאפיינים המבצעיים שלה.
וואקום טכנולוגי
בפועל, המצב הנדיר של גז, אוויר נקרא ואקום טכני. בנפחים גדולים, אי אפשר להשיג מצב אידיאלי שכזה, שכן בטמפרטורה מסוימת לחומרים יש צפיפות אדים רוויה שאינה מאפס.
הסיבה לחוסר האפשרות להשיג ואקום אידיאלי היא גם העברה של חומרים גזים דרך זכוכית, קירות מתכת של כלים.
בכמויות קטנות אפשר בהחלט להשיג גזים מוזלים. כמדד להידרדרות, נעשה שימוש בנתיב החופשי של מולקולות גז שמתנגשות באקראי, כמו גם בגודל הליניארי של הכלי המשמש.
וואקום טכני יכול להיחשב כגז בצינור או בכלי עם ערך לחץ נמוך יותר מאשר באטמוספירה. ואקום נמוך מתרחש כאשר האטומים או המולקולות של גז מפסיקים להתנגש זה בזה.
ואקום קדמי מוקם בין משאבת הוואקום הגבוה לאוויר האטמוספרי, מה שיוצר ואקום ראשוני. במקרה של ירידה לאחר מכן בתא הלחץ, נצפית עלייה באורך הנתיב של חלקיקים גזים.חומרים.
כאשר הלחץ הוא מ-10 -9 Pa, נוצר ואקום גבוה במיוחד. הגזים הנדירים הללו משמשים לביצוע ניסויים באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק.
אפשר להשיג מצב כזה בנקבוביות של גבישים מסוימים גם בלחץ אטמוספרי, שכן קוטר הנקבוביות קטן בהרבה מהנתיב החופשי של חלקיק חופשי.
מכשירים מבוססי ואקום
המצב הנדיר של הגז נמצא בשימוש פעיל במכשירים הנקראים משאבות ואקום. גטרים משמשים לינוק גזים ולהשגת מידה מסוימת של ואקום. טכנולוגיית ואקום כוללת גם מכשירים רבים הנחוצים כדי לשלוט ולמדוד מצב זה, כמו גם לשלוט על עצמים, לביצוע תהליכים טכנולוגיים שונים. המכשירים הטכניים המורכבים ביותר המשתמשים בגזים נדירים הם משאבות ואקום גבוהות. לדוגמה, התקני דיפוזיה פועלים על בסיס תנועה של מולקולות גז שיוריות תחת פעולת זרימת גז עובד. אפילו במקרה של ואקום אידיאלי, יש מעט קרינה תרמית כאשר מגיעים לטמפרטורה הסופית. זה מסביר את התכונות העיקריות של גזים נדירים, למשל, תחילת שיווי משקל תרמי לאחר מרווח זמן מסוים בין הגוף לדפנות תא הוואקום.
גז מונוטומי נדיר הוא מבודד תרמי מצוין. בו, העברת האנרגיה התרמית מתבצעת רק בעזרת קרינה, מוליכות תרמית והסעה אינן.נצפים. מאפיין זה משמש בכלי דיואר (תרמוסים), המורכבים משני מיכלים, שביניהם יש ואקום.
Vacuum מצא שימוש נרחב בשפופרות רדיו, למשל, מגנטונים של קינסקופים, תנורי מיקרוגל.
ואקום פיזי
בפיזיקה הקוונטית, מצב כזה פירושו מצב האנרגיה הקרקעית (הנמוכה ביותר) של השדה הקוונטי, המאופיין בערכי אפס של מספרים קוונטיים.
במצב זה, גז מונוטומי אינו ריק לחלוטין. לפי תורת הקוונטים, חלקיקים וירטואליים מופיעים ונעלמים באופן שיטתי בוואקום הפיזי, מה שגורם לאפס תנודות של שדות.
באופן תיאורטי, מספר שואבים שונים יכולים להתקיים בו-זמנית, הנבדלים בצפיפות האנרגיה, כמו גם במאפיינים פיזיקליים אחרים. רעיון זה הפך לבסיס לתיאוריית המפץ הגדול האינפלציוני.
וואקום שקרי
פירושו מצב השדה בתורת הקוונטים, שאינו מצב עם מינימום אנרגיה. זה יציב לאורך פרק זמן מסוים. קיימת אפשרות ל"מנהור" של מצב כוזב לריק אמיתי כאשר מגיעים לערכים הנדרשים של הכמויות הפיזיקליות העיקריות.
חלל החיצון
כאשר דנים במשמעות של גז מוזל, יש צורך להתעכב על המושג "וואקום קוסמי". זה יכול להיחשב קרוב לוואקום הפיזי, אבל קיים בבין-כוכבימֶרחָב. לכוכבי הלכת, הלוויינים הטבעיים שלהם, לכוכבים רבים יש כוחות משיכה מסוימים השומרים על האטמוספירה במרחק מסוים. כאשר אתה מתרחק מפני השטח של עצם כוכבי, צפיפות הגז המודח משתנה.
לדוגמה, יש את קו קארמן, שנחשב להגדרה נפוצה עם החלל החיצון של גבול כוכב הלכת. מאחוריו, ערכו של לחץ הגז האיזוטרופי יורד בחדות בהשוואה לקרינת השמש וללחץ הדינמי של רוח השמש, כך שקשה לפרש את הלחץ של גז נדיר.
החלל החיצון מלא בפוטונים, ניטרינו שריד שקשה לזהות.
תכונות מדידה
דרגת הוואקום נקבעת בדרך כלל לפי כמות החומר שנשארת במערכת. המאפיין העיקרי של מדידת מצב זה הוא הלחץ המוחלט, בנוסף נלקחים בחשבון ההרכב הכימי של הגז והטמפרטורה שלו.
פרמטר חשוב לוואקום הוא הערך הממוצע של אורך הנתיב של הגזים שנותרו במערכת. יש חלוקה של ואקום לטווחים מסוימים בהתאם לטכנולוגיה הדרושה למדידות: שקר, טכני, פיזי.
יצירת ואקום
זה ייצור של מוצרים מחומרים תרמופלסטיים מודרניים בצורה חמה תוך שימוש בלחץ אוויר נמוך או פעולת ואקום.
יצירת ואקום נחשבת לשיטת שרטוט, כתוצאה מכך מחממים יריעות פלסטיק,ממוקם מעל המטריצה, עד לערך טמפרטורה מסוים. לאחר מכן, הסדין חוזר על צורת המטריצה, זאת בשל יצירת ואקום בינה לבין הפלסטיק.
מכשירי אלקטרו-וואקום
הם מכשירים שנועדו ליצור, להגביר ולהמיר אנרגיה אלקטרומגנטית. במכשיר כזה מוציאים אוויר מחלל העבודה ומשמשים במעטפת אטומה להגנה מפני הסביבה. דוגמאות למכשירים כאלה הם מכשירי ואקום אלקטרוניים, שבהם האלקטרונים נכנסים לוואקום. גם מנורות ליבון יכולות להיחשב כמכשירי ואקום.
גזים בלחצים נמוכים
גז נקרא נדיר אם צפיפותו זניחה, ואורך הנתיב המולקולרי דומה לגודל הכלי שבו נמצא הגז. במצב כזה, נצפית ירידה במספר האלקטרונים ביחס לצפיפות הגז.
במקרה של גז נדיר מאוד, אין כמעט חיכוך פנימי. במקום זאת, מופיע חיכוך חיצוני של הגז הנע כנגד הדפנות, אשר מוסבר בשינוי המומנטום של המולקולות כאשר הן מתנגשות בכלי. במצב כזה יש מידתיות ישירה בין מהירות החלקיקים לצפיפות הגז.
במקרה של ואקום נמוך נצפות התנגשויות תכופות בין חלקיקי גז בנפח מלא, המלוות בחילופי אנרגיה תרמית יציבה. זה מסביר את תופעת ההעברה (דיפוזיה, מוליכות תרמית), שנמצאת בשימוש פעיל בטכנולוגיה מודרנית.
השגת גזים נדירים
המחקר המדעי והפיתוח של מכשירי ואקום החלו באמצע המאה השבע-עשרה. בשנת 1643 הצליח טוריצ'לי האיטלקי לקבוע את ערכו של לחץ אטמוספרי, ולאחר המצאת משאבת בוכנה מכנית עם אטם מים מיוחד על ידי O. Guericke, הופיעה הזדמנות אמיתית לביצוע מחקרים רבים על המאפיינים של גז מודח. במקביל, נחקרו אפשרויות ההשפעה של ואקום על יצורים חיים. ניסויים שבוצעו בוואקום עם פריקה חשמלית תרמו לגילוי של אלקטרון שלילי, קרינת רנטגן.
הודות ליכולת בידוד החום של ואקום, אפשר היה להסביר את שיטות העברת החום, להשתמש במידע תיאורטי לפיתוח טכנולוגיה קריוגנית מודרנית.
שימוש בוואקום
בשנת 1873 הומצא מכשיר האלקטרו-וואקום הראשון. הם הפכו למנורת ליבון, שנוצרה על ידי הפיזיקאי הרוסי לודיגין. מאז, התרחב השימוש המעשי בטכנולוגיית ואקום, שיטות חדשות להשגת ולימוד מצב זה הופיעו.
סוגים שונים של משאבות ואקום נוצרו תוך פרק זמן קצר:
- rotational;
- cryosorption;
- molecular;
- diffusion.
בתחילת המאה העשרים הצליח האקדמאי לבדב לשפר את היסודות המדעיים של תעשיית הוואקום. עד אמצע המאה הקודמת, מדענים לא אפשרו אפשרות להשיג לחץ של פחות מ-10-6 פאה.
Bנכון לעכשיו, מערכות ואקום בנויות ממתכת בלבד כדי למנוע דליפה. משאבות קריוגניות ואקום משמשות לא רק במעבדות מחקר, אלא גם בתעשיות שונות.
לדוגמה, לאחר פיתוח של אמצעי פינוי מיוחדים שאינם מזהמים את החפץ בו נעשה שימוש, הופיעו סיכויים חדשים לשימוש בטכנולוגיית ואקום. בכימיה, מערכות כאלה משמשות באופן פעיל לניתוח איכותי וכמותי של מאפיינים של חומרים טהורים, הפרדת תערובת לרכיבים וניתוח קצב התהליכים השונים.
