Tyhjiö on tila, jossa ei ole ainetta. Sovelletussa fysiikassa ja tekniikassa se tarkoittaa väliainetta, jossa kaasu on ilmakehän painetta pienemmässä paineessa. Mitä olivat harvinaistuneet kaasut, kun ne löydettiin ensimmäisen kerran?
Historiasivut
Ajatus tyhjyydestä on ollut kiistanalainen vuosisatojen ajan. Harvinaiset kaasut yrittivät analysoida antiikin kreikkalaisia ja roomalaisia filosofeja. Demokritos, Lucretius, heidän oppilaansa uskoivat: jos atomien välillä ei olisi vapaata tilaa, niiden liikkuminen olisi mahdotonta.
Aristoteles ja hänen seuraajansa kiistivät tämän käsityksen, heidän mielestään luonnossa ei pitäisi olla "tyhjyyttä". Keskiajalla Euroopassa ajatus "tyhjyyden pelosta" nousi etusijalle, sitä käytettiin uskonnollisiin tarkoituksiin.
Muinaisen Kreikan mekaniikka teknisiä laitteita luodessaan perustui ilman harvennukseen. Esimerkiksi vesipumput, jotka toimivat, kun männän yläpuolelle syntyi tyhjiö, ilmestyivät Aristoteleen aikaan.
Kaasun, ilman, harvinaisesta tilasta on tullut perusta mäntätyhjiöpumppujen valmistukseen, joita käytetään tällä hetkellä laaj alti tekniikassa.
Heidän prototyyppinsä oli kuuluisa Aleksandrian Heronin mäntäruisku, jonka hän oli luonutvetää ulos mätä.
1700-luvun puolivälissä kehitettiin ensimmäinen tyhjiökammio, ja kuusi vuotta myöhemmin saksalainen tiedemies Otto von Guerick onnistui keksimään ensimmäisen tyhjiöpumpun.
Tämä mäntäsylinteri pumppaa helposti ilmaa suljetusta säiliöstä ja loi sinne tyhjiön. Tämä mahdollisti uuden tilan pääpiirteiden tutkimisen, sen toimintaominaisuuksien analysoinnin.
Tekninen tyhjiö
Käytännössä kaasun, ilman, harvinaistunutta tilaa kutsutaan tekniseksi tyhjiöksi. Suurissa määrissä on mahdotonta saavuttaa tällaista ihannetilaa, koska tietyssä lämpötilassa materiaalien kylläisen höyryn tiheys on nollasta poikkeava.
Syy siihen, että ihanteellista tyhjiötä on mahdotonta saavuttaa, on myös kaasumaisten aineiden siirtyminen lasin, astioiden metalliseinien läpi.
Pienissä määrissä on täysin mahdollista saada harvinaisia kaasuja. Harvinaistumisen mittana käytetään satunnaisesti törmäävien kaasumolekyylien vapaata polkua sekä käytetyn astian lineaarista kokoa.
Teknisenä tyhjiönä voidaan pitää kaasua putkessa tai astiassa, jonka painearvo on pienempi kuin ilmakehässä. Alhainen tyhjiö syntyy, kun kaasun atomit tai molekyylit lakkaavat törmäämästä toisiinsa.
Tyhjiöpumpun ja ilmailman väliin asetetaan etutyhjiö, joka luo alustavan alipaineen. Jos painekammio laskee myöhemmin, havaitaan kaasumaisten hiukkasten reitin pituuden lisääntyminen.aineet.
Kun paine on 10 -9 Pa, syntyy erittäin suuri tyhjiö. Näitä harvinaisia kaasuja käytetään kokeiden suorittamiseen pyyhkäisytunnelimikroskoopilla.
Tällainen tila on mahdollista saada joidenkin kiteiden huokosiin jopa ilmakehän paineessa, koska huokosten halkaisija on paljon pienempi kuin vapaan hiukkasen vapaa reitti.
Tyhjiöpohjaiset laitteet
Kaasun harvinaista tilaa käytetään aktiivisesti tyhjiöpumpuiksi kutsutuissa laitteissa. Gettereitä käytetään kaasujen imemiseen ja tietyn alipaineen aikaansaamiseen. Tyhjiöteknologiaan kuuluu myös lukuisia laitteita, joita tarvitaan tämän tilan ohjaamiseen ja mittaamiseen sekä esineiden ohjaamiseen, erilaisten teknisten prosessien suorittamiseen. Monimutkaisimmat harvinaisia kaasuja käyttävät tekniset laitteet ovat suurtyhjiöpumput. Esimerkiksi diffuusiolaitteet toimivat jäännöskaasumolekyylien liikkeen perusteella toimivan kaasuvirran vaikutuksesta. Ihanteellisessa tyhjiössäkin on vähän lämpösäteilyä, kun lopullinen lämpötila saavutetaan. Tämä selittää harvinaisten kaasujen tärkeimmät ominaisuudet, esimerkiksi lämpötasapainon saavuttamisen tietyn ajan kuluttua kehon ja tyhjökammion seinien välillä.
Harvinainen yksiatomikaasu on erinomainen lämmöneriste. Siinä lämpöenergian siirto tapahtuu vain säteilyn avulla, lämmönjohtavuus ja konvektio eivät olehavaitaan. Tätä ominaisuutta käytetään Dewar-aluksissa (termosissa), jotka koostuvat kahdesta säiliöstä, joiden välissä on tyhjiö.
Tyhjiö on löytänyt laajan sovelluksen radioputkissa, esimerkiksi kineskooppien magnetroneissa, mikroa altouunissa.
Fyysinen tyhjiö
Kvanttifysiikassa tällainen tila tarkoittaa kvanttikentän perusenergiatilaa (pienintä), jolle on tunnusomaista kvanttilukujen nollaarvot.
Tässä tilassa yksiatomikaasu ei ole täysin tyhjä. Kvanttiteorian mukaan virtuaalihiukkaset syntyvät ja katoavat systemaattisesti fysikaalisessa tyhjiössä, mikä aiheuttaa kenttien nollavärähtelyä.
Teoriassa voi olla samanaikaisesti useita erilaisia tyhjiöitä, jotka eroavat toisistaan energiatiheydeltä sekä muilta fysikaalisilla ominaisuuksilla. Tästä ajatuksesta tuli perusta inflatiiviselle alkuräjähdysteorialle.
Väärä tyhjiö
Se tarkoittaa kvanttiteoriassa kentän tilaa, joka ei ole tila, jolla on minimienergia. Se on vakaa tietyn ajanjakson ajan. On mahdollista "tunneloida" väärä tila todelliseen tyhjiöön, kun fyysisten pääsuureiden vaaditut arvot saavutetaan.
Ulkoavaruus
Kun keskustellaan siitä, mitä harvinainen kaasu tarkoittaa, on tarpeen keskittyä käsitteeseen "kosminen tyhjiö". Sitä voidaan pitää lähellä fyysistä tyhjiötä, mutta se on olemassa tähtienvälisessä tilassatilaa. Planeetoilla, niiden luonnollisilla satelliiteilla ja monilla tähdillä on tiettyjä houkuttelevia voimia, jotka pitävät ilmakehän tietyllä etäisyydellä. Kun siirryt pois tähtiobjektin pinnasta, harvinaisen kaasun tiheys muuttuu.
Esimerkiksi on olemassa Karman-viiva, jota pidetään yleisenä määritelmänä planeetan rajan ulkoavaruuden kanssa. Sen takana isotrooppisen kaasun paineen arvo laskee jyrkästi verrattuna auringon säteilyyn ja aurinkotuulen dynaamiseen paineeseen, joten harvinaisen kaasun painetta on vaikea tulkita.
Ulkoavaruus on täynnä fotoneja, jäänneneutriinoja, joita on vaikea havaita.
Mittausominaisuudet
Tyhjiön aste määräytyy yleensä järjestelmään jäävän aineen määrän mukaan. Tämän tilan mittauksen pääominaisuus on absoluuttinen paine, lisäksi otetaan huomioon kaasun kemiallinen koostumus ja lämpötila.
Tärkeä tyhjiön parametri on järjestelmään jäävien kaasujen reitin pituuden keskiarvo. Tyhjiö on jaettu tietyille alueille mittauksissa tarvittavan tekniikan mukaisesti: väärä, tekninen, fyysinen.
Tyhjiömuovaus
Tämä on tuotteiden valmistusta nykyaikaisista termoplastisista materiaaleista kuumassa muodossa käyttäen alhaista ilmanpainetta tai tyhjiötoimintoa.
Tyhjiömuovausta pidetään vetomenetelmänä, jonka seurauksena muovilevy kuumennetaan,sijaitsee matriisin yläpuolella tiettyyn lämpötila-arvoon asti. Seuraavaksi arkki toistaa matriisin muodon, tämä johtuu tyhjiön muodostumisesta sen ja muovin välille.
Sähköimulaitteet
Ne ovat laitteita, jotka on suunniteltu luomaan, vahvistamaan ja muuntamaan sähkömagneettista energiaa. Tällaisessa laitteessa ilma poistetaan työtilasta ja suojassa ympäristöltä käytetään läpäisemätöntä kuorta. Esimerkkejä tällaisista laitteista ovat elektroniset tyhjiölaitteet, joissa elektronit sopivat tyhjiöön. Hehkulamppuja voidaan pitää myös tyhjiolaitteina.
Kaasut alhaisilla paineilla
Kaasua kutsutaan harvinaiseksi, jos sen tiheys on mitätön ja molekyylipolun pituus on verrattavissa sen astian kokoon, jossa kaasu sijaitsee. Tällaisessa tilassa havaitaan elektronien lukumäärän väheneminen suhteessa kaasun tiheyteen.
Hyvin harvinaisen kaasun tapauksessa sisäistä kitkaa ei käytännössä ole. Sen sijaan ilmaantuu liikkuvan kaasun ulkoinen kitka seinämiä vasten, mikä selittyy molekyylien liikemäärän muutoksella niiden törmääessä astiaan. Tällaisessa tilanteessa hiukkasten nopeuden ja kaasun tiheyden välillä on suora yhteys.
Alhaisessa tyhjiössä havaitaan toistuvia törmäyksiä kaasuhiukkasten välillä täydessä tilavuudessa, joihin liittyy vakaa lämpöenergian vaihto. Tämä selittää siirtoilmiön (diffuusio, lämmönjohtavuus), jota käytetään aktiivisesti nykytekniikassa.
Harvintuneiden kaasujen hankkiminen
Tyhjiölaitteiden tieteellinen tutkimus ja kehittäminen alkoi 1700-luvun puolivälissä. Vuonna 1643 italialainen Torricelli onnistui määrittämään ilmanpaineen arvon, ja kun O. Guericke keksi mekaanisen mäntäpumpun erityisellä vesitiivisteellä, ilmaantui todellinen tilaisuus suorittaa lukuisia tutkimuksia harvinaisen kaasun ominaisuuksista. Samalla tutkittiin tyhjiön vaikutuksen mahdollisuuksia eläviin olentoihin. Kokeet, jotka suoritettiin tyhjiössä sähköpurkauksella, auttoivat löytämään negatiivisen elektronin, röntgensäteilyn.
Tyhjiön lämmöneristyskyvyn ansiosta tuli mahdolliseksi selittää lämmönsiirtomenetelmiä, käyttää teoreettista tietoa nykyaikaisen kryogeenisen tekniikan kehittämiseen.
Tyhjiön käyttö
Vuonna 1873 keksittiin ensimmäinen sähkötyhjiölaite. Niistä tuli hehkulamppu, jonka loi venäläinen fyysikko Lodygin. Siitä lähtien tyhjiötekniikan käytännön käyttö on laajentunut, uusia menetelmiä tämän tilan saavuttamiseksi ja tutkimiseksi on ilmaantunut.
Erityyppisiä tyhjiöpumppuja on luotu lyhyessä ajassa:
- kierto;
- kryosorptio;
- molekyyli;
- diffuusio.
1900-luvun alussa akateemikko Lebedev onnistui parantamaan tyhjiöteollisuuden tieteellistä perustaa. Viime vuosisadan puoliväliin asti tiedemiehet eivät sallineet mahdollisuutta saada alle 10-6 Pa painetta.
BTällä hetkellä tyhjiöjärjestelmät on rakennettu kokonaan metallista vuotojen välttämiseksi. Tyhjiökryogeenisiä pumppuja ei käytetä vain tutkimuslaboratorioissa, vaan myös eri teollisuudenaloilla.
Esimerkiksi sellaisten erityisten evakuointivälineiden kehittämisen jälkeen, jotka eivät saastuta käytettyä kohdetta, tyhjiötekniikan käyttöön on ilmaantunut uusia mahdollisuuksia. Kemiassa tällaisia järjestelmiä käytetään aktiivisesti puhtaiden aineiden ominaisuuksien kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen analysointiin, seoksen erottamiseen komponenteiksi ja eri prosessien nopeuden analysointiin.
