Как получить вакуум
Вакуум, 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 • 103; 0,000001—1 • Ю“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 давлении 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 “3 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 прямолинейно 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.