Prosta pompa do ilustracji zjawiska próżni
Komora próżniowa (
NASA
)
Próżnia – w rozumieniu tradycyjnym
pojęcie
równoważne pustej
przestrzeni
. We współczesnej
fizyce
,
technice
oraz rozumieniu potocznym pojęcie próżni posiada zupełnie odmienne konotacje.
Próżnia w sensie fizyki
W
fizyce teoretycznej
termin próżnia oznacza stan o najniższej energii.
Historia pojęcia
Istnienie i sposób rozumienia pojęcia próżni zmieniało się w historii fizyki. W starożytnej koncepcji atomistycznej
Leukipposa
i
Demokryta
materialne atomy poruszały się w próżni.
Arystoteles
przyjmował nieograniczoną podzielność ciał materialnych i negował istnienie próżni. Jego następcom przypisuje się znane powiedzenie natura nie znosi próżni. Poglądy Arystotelesa i jego następców na temat próżni przyjmowane były w zasadzie bez większych zastrzeżeń w okresie średniowiecza. Na przełomie
XVI
i
XVII
wieku istnienie próżni zostało wykazane
empirycznie
przez
Torricellego
(
doświadczenie Torricellego
). Pojęcia tego używał też
Galileusz
. Pojęcie próżni występuje wyraźnie w pracach
Newtona
, a podstawowe reguły
mechaniki newtonowskiej
sformułowane są w odniesieniu do ruchu ciał materialnych w próżni. Z mechaniki newtonowskiej pochodzi potoczne rozumienie próżni jako spójnego obszaru
przestrzeni
, w której nie ma
cząstek
obdarzonych
masą
. Stan ten nazywa się też czasem próżnią absolutną. Pod koniec
XIX
wieku w związku z
hipotezą
wypełniającego przestrzeń
eteru
jako nośnika
fal elektromagnetycznych
zaczęto kwestionować istnienie próżni. Jednakże negatywny wynik
doświadczeń
mających na celu wykrycie eteru (zwłaszcza
doświadczenia Michelsona-Morleya
) spowodował utrwalenie pojęcia próżni.
Mechanika klasyczna
W mechanice klasycznej próżnia oznacza obszar, w którym nie ma żadnych mogących oddziaływać ciał ani płynów.
Szczególna i ogólna teoria względności
Pojęcie próżni występuje też w
szczególnej teorii względności
, której jednym z fundamentalnych postulatów jest stała wartość prędkości światła w próżni, rozumianej jako próżnia absolutna. Natomiast
ogólna teoria względności
wprowadza nowy sposób rozumienia próżni i w ogóle całej przestrzeni łącząc jej
krzywiznę
z istnieniem ciał materialnych i oddziaływaniem grawitacyjnym. W ogólnej teorii względności absolutna próżnia nie istnieje, gdyż cała przestrzeń wypełniona jest
oddziaływaniem grawitacyjnym
.
Mechanika kwantowa
W
mechanice kwantowej
i
elektrodynamice kwantowej
punktowe cząstki elementarne poruszają się w absolutnej próżni, a oddziaływania między nimi przenoszone są poprzez nośniki oddziaływań elektromagnetycznych (
fotony
). Elektrodynamika kwantowa przewiduje istnienie
cząstek wirtualnych
, co zostało potwierdzone doświadczalnie oraz tzw.
polaryzacji próżni
.
W obowiązującym obecnie
modelu standardowym
stanowiącym połączenie
chromodynamiki kwantowej
i
teorii oddziaływań elektrosłabych
próżnia jest stanem o najniższej lecz na ogół niezerowej energii, z czym związane jest tzw. łamanie symetrii próżni. Istnienie energii próżni wykazały doświadczenia potwierdzające istnienie tzw.
efektu Casimira
.
Tak rozumiana próżnia wypełniona jest co najmniej jednym polem chiralnym zwanym też
polem Higgsa
. Istnienie tego pola jest niezbędne dla nadania niezerowych mas
leptonom
, jak
elektron
,
mion
i
taon
oraz tzw. bozonom pośrednim stanowiącym nośniki
oddziaływań słabych
. Z istnieniem pola (pól) Higgsa o określonej skrętności związane jest istnienie kwantów tego pola (tych pól), tj.
cząstki Higgsa
lub całej rodziny cząstek Higgsa. Jak dotąd istnienie cząstki Higgsa nie zostało potwierdzone doświadczalnie ze względu na zbyt małą moc
akceleratorów
. Oszacowano jedynie dolną granicę jej masy na poziomie ok. 114 GeV/c² (ok. 120 razy więcej od masy protonu). Społeczność fizyków ma duże nadzieje, że doświadczenia, które mają być przeprowadzone w
Wielkim Zderzaczu Hadronów
(znajdującym się w
CERN-ie
w pobliżu
Genewy
) pozwolą na ostateczne rozstrzygnięcie problemu istnienia cząstki Higgsa.
W kwantowej teorii pola przez próżnię rozumie się często nieograniczony rezerwuar cząstek nie oddziałujących silnie i elektromagnetycznie, lecz oddziałujących słabo[]. Tak rozumiane pojęcie próżni odbiega bardzo od potocznego i technicznego znaczenia słowa próżnia.
W fizyce współczesnej (zarówno ogólnej teorii względności jak i w modelu standardowym) pojęcie próżni absolutnej jest pozbawione jakiegokolwiek konkretnego, fizykalnego znaczenia. Próżnia absolutna jest stanem czysto teoretycznym i nie tylko niemożliwym do uzyskania w praktyce, lecz nie istniejącym w sensie fizycznym. Niemniej niektóre teorie używają w praktyce tego pojęcia, wprowadzając przybliżenia zakładające pomijanie słabszych oddziaływań (np. elektrodynamika kwantowa pomija istnienie oddziaływań słabych i grawitacyjnych).
Próżnia w sensie technicznym
Próżnia w sensie technicznym jest to stan wysokiego rozrzedzenia gazu. Granica między rozrzedzonym gazem a tak rozumianą próżnią jest arbitralna. Często układ traktuje się jako próżnię jeśli
średnia droga swobodna
molekuł gazu porównywalna jest z rozmiarami naczynia, w którym gaz ten jest umieszczony.
Jakość próżni
W
fizyce doświadczalnej
jest to stan, w którym w danym miejscu występuje bardzo niskie
ciśnienie
gazu
. Pojęcie to jest bardzo nieostre. W tym sensie rozróżnia się próżnię:
|
Ciśnienie
w hPa (mbar) | Ilość
cząsteczek
na cm³ |
Średnia droga swobodna
cząsteczki | Ilość uderzeń na powierzchnię (cm-2 s-1) |
---|
Ciśnienie atmosferyczne
| 1013,25 | 2,7·1019 | 68 nm | 1023 |
Próżnia niska | 300...1 | 1019...1016 | 0,1...100 μm | 1023...1020 |
Próżnia średnia | 1...10-3 | 1016...1013 | 0,1...100 mm | 1020...1017 |
Próżnia wysoka (HV) | 10-3...10−7 | 1013...109 | 10 cm...1 km | 1017...1013 |
Próżnia bardzo wysoka (UHV)
| 10−7...10−12 | 109...104 | 1 km...105 km | 1013...108 |
Próżnia ekstremalnie wysoka (XHV) | 10−12...10−14 | 104...10² | 105...107 km | 108...106 |
Przestrzeń kosmiczna
| 10−7...10−16 | 109...1 | 1...109 km | 1013...104 |
Próżnia absolutna (doskonała) | 0 | 0 | | 0 |
Rozróżnia się też stan czystości próżni, gdyż próżnia i naczynie, przyrządy w niej znajdujące się mogą zostać podczas otrzymywania próżni zanieczyszczone kropelkami
oleju
lub innych substancji używanych do pompowania.
Rekord
Najlepsza sztucznie wytworzona przez człowieka na ziemi próżnia, wynosi 10-13 Torr (~ 1,3 x 10-13 mbar). Aby osiągnąć tak dobrą próżnię, komora zbudowana jest z wysokiej czystości stopów aluminium, zamiast stali szlachetnej używanej normalnie. Dla porównania, próżnie 10−10–10−11 mbar są uzyskiwane stosunkowo łatwo.
Standardowa procedura otrzymywania wysokiej próżni
Pompowanie
Aby otrzymać próżnię do celów naukowych lub specjalistycznych stosuje się kilka poziomów pomp. Standardowy układ do otrzymywania wysokiej
HV
lub bardzo wysokiej
UHV
próżni składa się z:
- pompa olejowa ("pompa rotacyjno skrzydełkowa")
- zakres pracy: od ciśnienia atmosferycznego do max 10−4 mbar
-
pompa turbomolekularna
- zakres pracy: od 10−1 mbar do max 10−9 mbar
-
pompa dyfuzyjna
- zakres pracy: od 10−5 mbar do ok. 10−10 mbar
-
pompa jonowa
najczęściej z wbudowaną pompą sublimacyjną (tytan)
- zakres pracy: od 10−7 mbar do ok. 10−12 mbar
Wygrzewanie komory
W celu otrzymania bardzo wysokiej próżni należy podczas pompowania wstępnego wygrzać komorę próżniową. Głównie robi się to aby usunąć wodę, olej oraz inne parujące substancje ze ścian komory.
Wygrzanie komory polega na rozgrzaniu jej do temperatury około 200 °C (od 150 do 300 °C) na jeden do kilku dni, przez co następuje przyspieszona (w stosunku do desorpcji w temperaturze pokojowej) desorpcja cząsteczek ze ścian komory.
Bibliografia
- Ishimaru, H ,Ultimate Pressure of the Order of 10-13 Torr in an Aluminum Alloy Vacuum Chamber
J. Vac. Sci. Technol. A. Vol. 7, no. 3-II, pp. 2439-2442. May-June 1989 (
link DOI
)
Zobacz też