Vakuum on ruum, milles pole mateeriat. Rakendusfüüsikas ja -tehnoloogias tähendab see keskkonda, milles gaas sisaldub atmosfäärirõhust madalamal rõhul. Mis olid haruldased gaasid, kui need esmakordselt avastati?
Ajaloolehed
Tühjuse idee on vaidlusi tekitanud sajandeid. Haruldased gaasid püüdsid analüüsida Vana-Kreeka ja Rooma filosoofe. Demokritos, Lucretius, nende õpilased uskusid: kui aatomite vahel poleks vaba ruumi, oleks nende liikumine võimatu.
Aristoteles ja tema järgijad lükkasid selle kontseptsiooni ümber, nende arvates ei tohiks looduses olla "tühjust". Keskajal sai Euroopas prioriteediks idee "tühjuse hirmust", seda kasutati usulistel eesmärkidel.
Vana-Kreeka mehaanika põhines tehniliste seadmete loomisel õhu harvendamisel. Näiteks veepumbad, mis töötasid siis, kui kolvi kohale tekkis vaakum, ilmusid Aristotelese ajal.
Gaasi, õhu, haruldane olek on saanud aluseks praegu tehnoloogias laialdaselt kasutatavate kolb-vaakumpumpade valmistamisel.
Nende prototüüp oli kuulus Aleksandria Heroni kolbsüstal, mille ta lõimäda välja tõmbama.
Seitseteistkümnenda sajandi keskel töötati välja esimene vaakumkamber ja kuus aastat hiljem suutis saksa teadlane Otto von Guerick leiutada esimese vaakumpumba.
See kolvisilinder pumbas kergesti suletud anumast õhu välja, tekitades seal vaakumi. See võimaldas uurida uue oleku põhiomadusi, analüüsida selle tööomadusi.
Tehniline vaakum
Praktikas nimetatakse gaasi, õhu haruldast olekut tehniliseks vaakumiks. Suurtes kogustes on sellist ideaalset olekut võimatu saavutada, kuna teatud temperatuuril on materjalide küllastunud auru tihedus nullist erinev.
Ideaalse vaakumi saavutamise võimatuse põhjuseks on ka gaasiliste ainete edasikandumine läbi klaasi, anumate metallseinte.
Väikestes kogustes on täiesti võimalik saada haruldasi gaase. Vähenemise mõõtmiseks kasutatakse juhuslikult põrkuvate gaasimolekulide vaba teekonda ja kasutatud anuma lineaarset suurust.
Tehniliseks vaakumiks võib pidada gaasi torustikus või anumas, mille rõhu väärtus on väiksem kui atmosfääris. Madal vaakum tekib siis, kui gaasi aatomid või molekulid lõpetavad üksteisega kokkupõrke.
Kõrgvaakumpumba ja atmosfääriõhu vahele asetatakse esivaakum, mis loob esialgse vaakumi. Rõhukambri järgneval langusel täheldatakse gaasiliste osakeste tee pikkuse pikenemist.ained.
Kui rõhk on 10 -9 Pa, tekib ülikõrge vaakum. Just neid haruldasi gaase kasutatakse skaneeriva tunnelmikroskoobiga katsete läbiviimiseks.
Mõnede kristallide poorides on sellist olekut võimalik saavutada isegi atmosfäärirõhul, kuna pooride läbimõõt on palju väiksem kui vaba osakese vaba tee.
Vakuumipõhised seadmed
Gaasi haruldast olekut kasutatakse aktiivselt seadmetes, mida nimetatakse vaakumpumpadeks. Gettereid kasutatakse gaaside imemiseks ja teatud vaakumitaseme saavutamiseks. Vaakumtehnoloogia hõlmab ka arvuk alt seadmeid, mis on vajalikud selle oleku juhtimiseks ja mõõtmiseks, samuti objektide juhtimiseks, erinevate tehnoloogiliste protsesside läbiviimiseks. Kõige keerulisemad tehnilised seadmed, mis kasutavad haruldasi gaase, on kõrgvaakumpumbad. Näiteks difusiooniseadmed töötavad gaasijääkmolekulide liikumise alusel töötava gaasivoolu toimel. Isegi ideaalse vaakumi korral on lõpptemperatuuri saavutamisel vähe soojuskiirgust. See seletab haruldaste gaaside peamisi omadusi, näiteks termilise tasakaalu tekkimist pärast teatud ajavahemikku keha ja vaakumkambri seinte vahel.
Haruldane üheaatomiline gaas on suurepärane soojusisolaator. Selles toimub soojusenergia ülekanne ainult kiirguse abil, soojusjuhtivus ja konvektsioon ei oletäheldatakse. Seda omadust kasutatakse Dewari anumates (termoosides), mis koosnevad kahest mahutist, mille vahel on vaakum.
Vakuum on leidnud laialdast rakendust raadiotorudes, näiteks kineskoopide magnetronides, mikrolaineahjudes.
Füüsiline vaakum
Kvantfüüsikas tähendab selline olek kvantvälja maapealset (madalaima) energia olekut, mida iseloomustavad kvantarvude nullväärtused.
Selles olekus ei ole monoatomiline gaas täiesti tühi. Kvantteooria järgi tekivad ja kaovad virtuaalsed osakesed süstemaatiliselt füüsilises vaakumis, mis põhjustab väljade nullvõnkumisi.
Teoreetiliselt võib samaaegselt eksisteerida mitu erinevat vaakumit, mis erinevad nii energiatiheduse kui ka muude füüsikaliste omaduste poolest. Sellest ideest sai inflatsioonilise Suure Paugu teooria alus.
Vale vaakum
See tähendab kvantteoorias välja olekut, mis ei ole minimaalse energiaga olek. See on teatud aja jooksul stabiilne. Kui peamiste füüsikaliste suuruste nõutavad väärtused on saavutatud, on võimalik vale olek "tunnelida" tõeliseks vaakumiks.
Väliskosmos
Arutledes selle üle, mida tähendab haruldane gaas, tuleb peatuda mõistel "kosmiline vaakum". Seda võib pidada füüsilise vaakumi lähedaseks, kuid eksisteerivaks tähtedevahelisesruumi. Planeetidel, nende looduslikel satelliitidel ja paljudel tähtedel on teatud külgetõmbejõud, mis hoiavad atmosfääri teatud kaugusel. Kui liigute täheobjekti pinnast eemale, muutub haruldaste gaaside tihedus.
Näiteks on Karmani joon, mida peetakse planeedi piiri väliskosmose ühiseks määratluseks. Selle taga väheneb isotroopse gaasi rõhu väärtus järsult võrreldes päikesekiirguse ja päikesetuule dünaamilise rõhuga, mistõttu on haruldase gaasi rõhku raske tõlgendada.
Väliskosmos on täis footoneid, jäänukneutriinosid, mida on raske tuvastada.
Mõõtmisfunktsioonid
Vaakumi astme määrab tavaliselt süsteemi jäänud aine hulk. Selle oleku mõõtmise põhitunnus on absoluutrõhk, lisaks võetakse arvesse gaasi keemilist koostist ja temperatuuri.
Vaakumi oluline parameeter on süsteemi jäävate gaaside teepikkuse keskmine väärtus. Vastav alt mõõtmiseks vajalikule tehnoloogiale on vaakum jaotatud teatud vahemikeks: vale, tehniline, füüsiline.
Vakuumvormimine
See on toodete valmistamine kaasaegsetest termoplastilistest materjalidest kuumal kujul, kasutades madalat õhurõhku või vaakumit.
Vakuumvormimist peetakse joonistusmeetodiks, mille tulemusena lehtplast kuumutatakse,asub maatriksi kohal, kuni teatud temperatuuri väärtuseni. Järgmisena kordab leht maatriksi kuju, selle põhjuseks on vaakumi tekkimine selle ja plasti vahel.
Elektrovaakumseadmed
Need on seadmed, mis on loodud elektromagnetilise energia loomiseks, võimendamiseks ja muundamiseks. Sellises seadmes eemaldatakse tööruumist õhk ja keskkonna eest kaitsmiseks kasutatakse läbilaskmatut kesta. Sellised seadmed on näiteks elektroonilised vaakumseadmed, kus elektronid mahuvad vaakumisse. Vaakumseadmeteks võib pidada ka hõõglampe.
Gaasid madalal rõhul
Gaasi nimetatakse haruldaseks, kui selle tihedus on tühine ja molekulaartee pikkus on võrreldav anuma suurusega, milles gaas asub. Sellises olekus täheldatakse elektronide arvu vähenemist võrdeliselt gaasi tihedusega.
Väga haruldase gaasi puhul sisehõõrdumine praktiliselt puudub. Selle asemel tekib liikuva gaasi väline hõõrdumine vastu seinu, mis on seletatav molekulide impulsi muutumisega anumaga kokkupõrkel. Sellises olukorras on osakeste kiiruse ja gaasi tiheduse vahel otsene seos.
Madala vaakumi korral täheldatakse täismahus gaasiosakeste sagedasi kokkupõrkeid, millega kaasneb stabiilne soojusenergia vahetus. See seletab ülekandenähtust (difusioon, soojusjuhtivus), mida tänapäevases tehnoloogias aktiivselt kasutatakse.
Harrestatud gaaside hankimine
Vakuumseadmete teaduslik uurimine ja arendamine algas XVII sajandi keskel. 1643. aastal õnnestus itaallasel Torricellil määrata atmosfäärirõhu väärtus ja pärast O. Guericke'i poolt spetsiaalse veetihendiga mehaanilise kolbpumba leiutamist avanes reaalne võimalus läbi viia arvuk alt haruldasi gaasi omadusi käsitlevaid uuringuid. Samal ajal uuriti vaakumi mõju võimalusi elusolenditele. Elektrilahendusega vaakumis tehtud katsed aitasid kaasa negatiivse elektroni, röntgenkiirguse avastamisele.
Tänu vaakumi soojusisolatsioonivõimele sai võimalikuks selgitada soojusülekande meetodeid, kasutada teoreetilist teavet kaasaegse krüogeense tehnoloogia arendamiseks.
Vakumi kasutamine
1873. aastal leiutati esimene elektrovaakumseade. Nendest sai hõõglamp, mille lõi vene füüsik Lodygin. Sellest ajast alates on vaakumtehnoloogia praktiline kasutamine laienenud, ilmunud on uued meetodid selle oleku saamiseks ja uurimiseks.
Lühikese aja jooksul on loodud erinevat tüüpi vaakumpumpasid:
- rotatsioon;
- krüosorptsioon;
- molekulaarne;
- difusioon.
Kahekümnenda sajandi alguses suutis akadeemik Lebedev parandada vaakumtööstuse teaduslikke aluseid. Kuni eelmise sajandi keskpaigani ei lubanud teadlased saavutada rõhku alla 10-6 Pa.
BPraegu on vaakumsüsteemid ehitatud täielikult metallist, et vältida lekkeid. Vaakumkrüogeenseid pumpasid ei kasutata mitte ainult uurimislaborites, vaid ka erinevates tööstusharudes.
Näiteks pärast spetsiaalsete evakuatsioonivahendite väljatöötamist, mis ei saasta kasutatavat objekti, on tekkinud uued väljavaated vaakumtehnoloogia kasutamiseks. Keemias kasutatakse selliseid süsteeme aktiivselt puhaste ainete omaduste kvalitatiivseks ja kvantitatiivseks analüüsiks, segu komponentideks lahutamiseks ja erinevate protsesside kiiruse analüüsiks.
