ВАКУУМ

ОСОБЕННОСТИ ВАКУУМИРОВАННОГО ПРОСТРАНСТВА

Акуум, который удавалось получить при помощи порш­невого воздушного насоса, был невысок. Современная техника позволяет получить во много раз большие разре­жения.

Как же будут изменяться свойства газов с увеличением разрежения? Начнем постепенно откачивать газ из какого - либо сосуда. Число молекул газа в нем будет постепенно уменьшаться. А раз уменьшится число ударов молекул о стенки, давление газа понизится. Будет уменьшаться и чис­ло столкновений молекул между собой, увеличится длина их свободного пробега. Все это будет отражаться на многих свойствах газа.

Величину вакуума обычно характеризуют давлением га­за, оставшегося в откачиваемом объеме. Это давление выра­жают в миллиметрах ртутного столба. В настоящее время вакуумная техника позволяет достигнуть весьма высокой степени разрежения; теперь остаточное давление газа изме­ряется тысячными и миллионными долями миллиметра ртут­ного столба. Обозначая величину вакуума, для удобства десятичные дроби заменяют множителем 10 в отрица­тельной степени, который показывает число знаков пос­ле запятой; например 0,001 или 1/1000 обозначается 1 • 10~3; 0,000001—1 • 10~6 и т. д. При уменьшении давления в сотни и тысячи раз по сравнению с обычным давлением воздуха свойства газов не изменяются. Но когда давление газа уменьшается до сотых и тысячных долей миллиметра ртутного столба, в свойствах газов, находящихся в обычных лабораторных приборах или производственных аппаратах, происходят качественные изменения.

Обычное давление от высокого вакуума различают по длине свободного пробега молекул газа. При обычном дав­

Лении длина свободного пробега молекул весьма невелика, например для воздуха она составляет около шести сотых микрона. Когда же вакуум достигает 0,01—0,001 (1 • 10 ”2— 1 • 10 -3) мм ртутного столба, длина свободного пробега мо­лекул увеличивается и может стать больше размеров сосуда, в котором создается разрежение. При вакууме свыше 1 • 10 ~^мм ртутного столба длина свободного пробега моле­кул достигает нескольких метров.

При наиболее высоком достигнутом ныне вакууме

1 - 10 “11 мм ртутного столба длина свободного пробега мо­лекул для воздуха (азота и кислорода) приближается к 5000 км. Состояние газа, когда длина свободного пробега молекул превышает размеры сосуда, в котором заключен газ, называется высоким вакуумом. Для обычной аппа­ратуры и приборов такое состояние достигается при давле­нии газа ниже 1 • 10 мм ртутного столба, когда длина сво­бодного пробега молекул различных газов измеряется десят­ками сантиметров. Для наглядности представления о насы­щении объема молекулами при различном вакууме приведем следующее сравнение. Увеличим размер одной молекулы до размера песчинки. Тогда одна песчинка при обычном со­стоянии газа будет приходиться на 40 кубических сантимет­ров пространства; это значит, что в объеме одного стакана будет находиться всего лишь 5 песчинок. А в высоком ва­кууме (при остаточном давлении 10~8 мм ртутного столба) одна песчинка будет приходиться в том же масштабе уже на три миллиона кубических метров пространства. В первом случае свободный пробег молекулы будет равен 60 см, а во втором 200 км.

Понятно, что свойства пространства, заполненного мо­лекулами с такой различной плотностью, резко различаются.

Газ, находящийся в состоянии высокого вакуума, обла­дает необычными свойствами. Его физические свойства за­висят от размеров сосуда, в котором он находится.

В состоянии высокого вакуума изменяется прежде всего характер передачи тепла и электричества в газе.

В чем же особенности этого удивительного состояния газа? При высоком вакууме в сообщающихся сосудах, имею­щих разную температуру, давление будет не одинаковое. Чтобы доказать это, возьмем два сосуда с воздухом и соеди­ним их трубкой. При обычных условиях давление в них будет одинаковым. Нагреем один из них; движение молекул в нем усилится и давление повысится; через некоторое время
то же произойдет и во втором сосуде. В результате дав­ление в обоих сосудах снова будет одинаковым. А вот в та­ких же сосудах, где создан «высокий вакуум, при различной температуре давление будет разное. Это объясняется тем, что свойства газа в состоянии высокого вакуума в большой сте­пени определяются состоянием стенок сосуда, в котором газ находится. Молекулы газа, ударяясь о стенки более горя­чего сосуда, приобретают большую энергию, чем в холодном, и, следовательно, их удары о стенки будут более сильными

И давление большим. Это давление не будет передаваться в соседний более холодный сосуд, так как число столкновений между молекулами мало и увеличение энергии молекул в другом сосуде будет незначительно.

Если в высоком вакууме между двумя стенками, имею­щими различную температуру, поместить пластинку, то пластинка будет испытывать избыточное давление со сто­роны более нагретой стенки. Молекулы газа, ударившись о поверхность с более высокой температурой, приобретают большую скорость и с большей силой ударяют в пластин­ку. На этом принципе может быть основано измерение вели­чины вакуума.

Прямолинейность движения молекул в высоком вакууме может быть показана на следующем опыте (рис. 9). Укрепим в стеклянном сосуде металлическую или слюдяную пластин­ку (экран). В углублении нижней части сосуда поместим небольшое количество легкоплавкого металла, например висмута. Откачаем воздух и запаяем сосуд. После этого нагреем металл. Молекулы металла, испаряясь, летят пря­
молинейно и покрывают стенки сосуда тонким слоем. Лишь за пластинкой (экраном) остается «тень», то есть поверх­ность, не покрытая металлом.

При обычном давлении газы обладают определенной вяз­костью, то есть если придать молекулам газа в какой-то части сосуда движение, то оно будет передаваться другим мо­лекулам. Это видно на простом опыте. На рис. 10 показано два диска, способных свободно вращаться вокруг своей оси. Если привести во вращение нижний диск, то его движение передастся прилегающему к диску слою молекул газа и даль­ше распространится по объему газа и приведет во вращение верхний диск. Происходит это в результате взаимодействия движущихся молекул. В высоком вакууме вращение диска передаваться не будет, так как молекулы движутся, не «за­девая» одна другую.

При высоком вакууме изменяется и прохождение элек­трического тока в газах. Подробнее об электрических явле­ниях в вакууме мы расскажем ниже.