Próżnia
Z Wikipedii
Próżnia – w rozumieniu tradycyjnym pojęcie równoważne pustej przestrzeni. We współczesnej fizyce, technice oraz rozumieniu potocznym pojęcie próżni posiada zupełnie odmienne konotacje.
Spis treści |
[edytuj] Próżnia w sensie fizyki
W fizyce teoretycznej termin próżnia oznacza stan o najniższej energii.
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.
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.
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 słabych 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 leptonon, 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 wynoszącą ok. 114 GeV/c^2 (ok. 120 razy więcej od masy protonu). Społeczność fizyków ma duże nadzieje, że doświadczenia, które mają być przeprowadzone w przebudowywanym obecnie wielkim akceleratorze cząstek w CERN-ie znajdującym się w pobliżu Genewy (przebudowuje się tzw. Wielki Zderzacz Elektronowo-Pozytonowy na tzw. Wielki Zderzacz Hadronów) pozwoli 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).
[edytuj] Próżnia w sensie technicznym
Próżnia - w sensie technicznym - 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.
[edytuj] 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.
[edytuj] Rekord
Najlepsza, sztucznie wytworzona przez człowieka na ziemi próżnia, wynosi 10-13 Torr (~ 1,3 x 10-13 mbar). Aby osiągnąć tak dobrą próżnie, 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.
[edytuj] Standardowa procedura otrzymywania wysokiej próżni
[edytuj] 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:
- przedpróżnia
- pompa olejowa ("pompa rotacyjno skrzydełkowa")
- zakres pracy: od ciśnienia atmosferycznego do max 10-4 mbar
- próżnia wysoka
- 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
- próżnia bardzo wysoka
- pompa jonowa najczęściej z wbudowaną pompą sublimacyjną (tytan)
- zakres pracy: od 10-7 mbar do ok 10-12 mbar
[edytuj] 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 szybka desorpcja cząsteczek ze ścian komory.
[edytuj] Bibliografia
- Ishimaru, H ,Ultimate Pressure of the Order of 10 exp --13 Torr in an Aluminum Alloy Vacuum Chamber
J. Vac. Sci. Technol. A. Vol. 7, no. 3-II, pp. 2439-2442. May-June 1989
