Большая Советская Энциклопедия (ВА)

Вакуум (от лат. пустота)

Ва'куум (от лат. vacuum — пустота), состояние газа при давлениях значительно ниже атмосферного. Понятие В. применяется обычно к газу, заполняющему ограниченный объём, но нередко его относят и к газу, находящемуся в свободном пространстве, например в космосе. Поведение газа в вакуумных устройствах определяется соотношением между длиной свободного пробега l молекул (или атомов) и размером d , характерным для данного прибора или процесса. Такими размерами могут быть, например, расстояние между стенками вакуумного объёма, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами электровакуумного прибора и т.п. В зависимости от соотношения l и d различают: низкий В. (l <<d ), cpeдний В. (l ~ d ), и высокий В. (l << d ).

В вакуумных установках и приборах размером d ~ 10 см низкому В. соответствует область давлений выше 10²н /м² (1 мм рт. ст. ), среднему В. — от 10² до 10^{– 1}н /м² (от 1 до 10^{– 3}мм рт. ст. ) и высокому В. — ниже 0,1 н /м² (10^{– 8} мм рт. ст. ). Область давлений ниже 10^{– 6}н /м² (10^{– 8}мм рт. cm. ) называют сверхвысоким В. Однако, например, в порах или каналах диаметром d ~ 1 мкм поведение газа соответствует высокому В. при давлениях, начиная с 10³н /м² (десятки мм рт. ст. ), а в камерах для имитации космического пространства, размеры которых достигают десятков метров, границей между средним и высоким В. считают давления 10^{– 3}н /м² (10^{– 5}мм рт. ст. ).

Наиболее высокая степень В., достигаемая существующими методами, соответствует давлениям 10^{– 13} —10^{– 14}н /м² (10^{– 15} —10^{– 16}мм рт. ст. ). При этом в 1 см³ объёма остаётся всего несколько десятков молекул. Достигаемая степень разрежения определяется равновесием между скоростью откачки газа и скоростью его поступления в откачиваемый объём. Поступление может происходить за счёт проникновения газа в вакуумную камеру извне через микроскопические отверстия (течи), а также в результате выделения газа, адсорбированного стенками или растворённого в них (см. Адсорбция ).

Свойства газа в условиях низкого В. определяются частыми столкновениями молекул газа друг с другом, сопровождающимися обменом энергией между ними. Такой газ обладает внутренним трением (см. Вязкость ). Его течение подчиняется законам аэродинамики (см. Аэродинамика разреженных газов ). Явления переноса (электропроводность, теплопроводность, внутреннее трение, диффузия) в условиях низкого В. характеризуются плавным изменением или постоянством градиента переносимой величины. Например, температура газа в пространстве между «горячей» и «холодной» стенками в низком В. изменяется постепенно. При этом переносимое количество тепла (теплопроводность ) или вещества (диффузия ) не зависит от давления. Если газ находится в двух сообщающихся сосудах при различных температурах, то при равновесии давления в этих сосудах равны. При прохождении тока в низком В. определяющую роль играет ионизация молекул газа (см. Электрический разряд в газе , Ионизация ).

В высоком В. свойства газа определяются только столкновениями его молекул со стенками. Столкновения молекул друг с другом происходят редко и играют второстепенную роль. Движение молекул между стенками происходит прямолинейно (молекулярный режим течения газа). Явления переноса характеризуются возникновением скачка градиента переносимой величины на стенках; например, во всём пространстве между горячей и холодной стенками примерно половина молекул имеет скорость, соответствующую температуре холодной стенки, а другая половина — скорость, соответствующую температуре горячей стенки, т. е. средняя температура газа во всём объёме одинакова и отлична от температуры как горячей, так и холодной стенок. Количество переносимого тепла, вещества и т.д. прямо пропорционально давлению газа. Давление газа, находящегося в сообщающихся сосудах, p₁ и p₂ при различных абсолютных температурах T₁ и T₂ определяется соотношением:

Прохождение тока в высоком В. возможно только в результате испускания (эмиссии) электронов и ионов электродами (см. Термоэлектронная эмиссия . Туннельная эмиссия . Вторичная электронная эмиссия , Фотоэлектронная эмиссия , Ионная эмиссия ). Ионизация молекул газа здесь играет второстепенную роль. Она существенна в тех случаях, когда длина свободного пробега заряженных частиц искусственно увеличивается и становится значительно больше расстояния между электродами (см., например, Магнетрон , Магнитный электроразрядный манометр ), или при их колебательном движении вокруг какого-либо электрода (см. Клистрон , Ионизационный манометр ).

Свойства газа в среднем В. являются промежуточными между его свойствами в низком и высоком В.

Особенности сверхвысокого В. связаны уже не с соударениями частиц, а с др. процессами на поверхностях твёрдых тел, находящихся в В. Поверхность любого тела всегда покрыта тонким слоем газа, который может быть удалён нагревом (обезгаживание). После этого поверхностные свойства тел резко изменяются: сильно увеличивается коэффициент трения, в ряде случаев становится возможной сварка материалов даже при комнатной температуре и т.д. Удалённый слои газа постепенно восстанавливается в результате адсорбции молекул газа, бомбардирующих поверхность, что сопровождается изменением её поверхностных свойств. Для изменения этих свойств достаточно образования мономолекулярного слоя газа. Время t , необходимое для образования такого слоя в В., обратно пропорционально давлению. При давлении p = 10^{– 4} н /м² (10^{– 6} мм рт. ст .) t = 1 сек , при др. давлениях время t (сек ) может оцениваться по формуле: t = 10^{– 6}_* р , где р — давление в мм рт. ст. (или по формуле t = 10^{– 4}_* р ), где р — давление в н /м² . Эти формулы справедливы, если каждая молекула газа, ударяющаяся о поверхность, остаётся на ней (так называемый коэффициент захвата равен 1). В ряде случаев коэффициент захвата меньше 1 и тогда время образования мономолекулярного слоя соответственно увеличивается. При р < 10^{– 6}н /м² (10^{– 8}мм рт. ст. ) образование мономолекулярного слоя газа происходит за время, превышающее несколько мин . Сверхвысокий В. определяется как такой В., в котором за время наблюдения не происходит существенного изменения свойств поверхности (первоначально свободной от газа) вследствие её взаимодействия с молекулами газа. О получении и применении В. см. Вакуумная техника , об измерении В. — Вакуумметрия .

Лит. см. при ст. Вакуумная техника .

А. М. Родин.

Вакуум (физический)

Ва'куум физический, среда, в которой нет частиц вещества или поля. В технике В. называют среду, в которой содержится «очень мало» частиц; чем меньше частиц находится в единице объёма такой среды, тем более высок В. Однако полный В. — среда, в которой совсем нет частиц, вовсе не есть лишённое всяких свойств «ничто». Отсутствие частиц в физической системе не означает, что она «абсолютно пуста» и в ней ничего не происходит.

Современное понятие В. оформилось в рамках квантовой теории поля . В микромире, который описывается квантовой теорией, имеет место корпускулярно-волновой дуализм : любые частицы (молекулы, атомы, элементарные частицы) обладают некоторыми волновыми свойствами и любым волнам присущи некоторые свойства частиц (корпускул). В квантовой теории поля все частицы, в том числе и «корпускулы» световых волн, фотоны, выступают на одинаковых основаниях — как кванты соответствующих им физических полей: фотон — квант электромагнитного поля; электрон и позитрон — кванты электронно-позитронного поля; мезоны — кванты мезонного, или ядерного, поля и т.д. С каждым квантом связаны присущие частицам физические величины: масса, энергия, количество движения (импульс), электрический заряд, спин и др. Состояние системы и её физические характеристики полностью определяются числом составляющих её частиц — квантов — и их индивидуальными состояниями. В частности, у любой квантовой системы имеется вакуумное состояние, в котором она вовсе не содержит частиц (квантов). В таком состоянии энергия системы принимает наименьшее из возможных значений, а её заряд, спин и прочие характеризующие систему квантовые числа равны нулю. Эти факты интуитивно понятны: поскольку в вакуумном состоянии нет материальных носителей физических свойств, то, казалось бы, для такого состояния значения всех физических величин должны равняться нулю. Но в квантовой теории действует принцип неопределённостей (см. Неопределённостей соотношение ), согласно которому только часть относящихся к системе физических величин может иметь одновременно точные значения; остальные величины оказываются неопределёнными. (Так, точное задание импульса частицы влечёт за собой полную неопределённость её координаты.) Поэтому во всякой квантовой системе не могут одновременно точно равняться нулю все физические величины.

К величинам, которые не могут быть одновременно точно заданы, относятся, например, число фотонов и напряжённость электрического (или магнитного) поля: строгая фиксация числа фотонов приводит к разбросу (флуктуациям) в величине напряжённости электрического поля относительно некоторого среднего значения (и наоборот). Если число фотонов в системе в точности равно нулю (вакуумное состояние электромагнитного поля), то напряжённость электрического поля не имеет определённого значения: поле всё время будет испытывать флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряжённости будет равно нулю. Таким флуктуациям подвержены и все другие физические поля — электронно-позитронное, мезонное и т.д.

В квантовой теории поля флуктуации интерпретируются как рождение и уничтожение виртуальных частиц (то есть частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются), или виртуальных квантов данного поля. Наличие флуктуаций не сказывается на значениях полного электрического заряда, спина и др. характеристик системы, которые, как уже говорилось, равны нулю в состоянии В. Однако виртуальные частицы точно так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные. Например, виртуальный фотон способен породить виртуальную пару электрон-позитрон, аналогично рождению реальным фотоном реальной электрон-позитронной пары (см. Аннигиляция и рождение пар ). Благодаря флуктуациям В. приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах, и, следовательно, состояние В. обладает всеми правами «настоящих» физических состояний.