Startuj z nami!

www.szkolnictwo.pl

praca, nauka, rozrywka....

mapa polskich szkół
Nauka Nauka
Uczelnie Uczelnie
Mój profil / Znajomi Mój profil/Znajomi
Poczta Poczta/Dokumenty
Przewodnik Przewodnik
Nauka Konkurs
uczelnie

zamów reklamę
zobacz szczegóły
uczelnie

Próżnia

Próżnia

Prosta pompa do ilustracji zjawiska próżni
Komora próżniowa ( NASA )

Próżnia – w rozumieniu tradycyjnym pojęcie równoważne pustej przestrzeni . We współczesnej fizyce , technice oraz rozumieniu potocznym pojęcie próżni posiada zupełnie odmienne konotacje.

Spis treści

Próżnia w sensie fizyki

W fizyce teoretycznej termin próżnia oznacza stan o najniższej energii.

Historia pojęcia

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.

Mechanika klasyczna

W mechanice klasycznej próżnia oznacza obszar, w którym nie ma żadnych mogących oddziaływać ciał ani płynów.

Szczególna i ogólna teoria względności

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 .

Mechanika kwantowa

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 elektrosłabych 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 leptonom , 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 na poziomie ok. 114 GeV/c² (ok. 120 razy więcej od masy protonu). Społeczność fizyków ma duże nadzieje, że doświadczenia, które mają być przeprowadzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów (znajdującym się w CERN-ie w pobliżu Genewy ) pozwolą 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).

Próżnia w sensie technicznym

Próżnia w sensie technicznym jest to 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.

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 1013,252,7·101968 nm1023
Próżnia niska300...11019...10160,1...100 μm1023...1020
Próżnia średnia1...10-31016...10130,1...100 mm1020...1017
Próżnia wysoka (HV)10-3...10−71013...10910 cm...1 km1017...1013
Próżnia bardzo wysoka (UHV) 10−7...10−12109...1041 km...105 km1013...108
Próżnia ekstremalnie wysoka (XHV)10−12...10−14104...10²105...107 km108...106
Przestrzeń kosmiczna 10−7...10−16109...11...109 km1013...104
Próżnia absolutna (doskonała)00\infty0

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.

Rekord

Najlepsza sztucznie wytworzona przez człowieka na ziemi próżnia, wynosi 10-13 Torr (~ 1,3 x 10-13 mbar). Aby osiągnąć tak dobrą próżnię, 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.

Standardowa procedura otrzymywania wysokiej próżni

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

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 przyspieszona (w stosunku do desorpcji w temperaturze pokojowej) desorpcja cząsteczek ze ścian komory.

Bibliografia

  • Ishimaru, H ,Ultimate Pressure of the Order of 10-13 Torr in an Aluminum Alloy Vacuum Chamber
    J. Vac. Sci. Technol. A. Vol. 7, no. 3-II, pp. 2439-2442. May-June 1989 ( link DOI )

Zobacz też


Inne hasła zawierające informacje o "Próżnia":

Dyspersja (optyka) ...

Tytan (pierwiastek) ...

Dielektryk ...

Filozofia przedsokratejska ...

Termometr rtęciowy ...

Ładunek termojądrowy (ładunek właściwy (wtórny))1 - chemiczny materiał wybuchowy2 - osłona z uranu2383 - Próżnia4 - pluton lub uran zawierający tryt w stanie gazowym5 - styropian6 ...

Irving Langmuir ...

Zasada nieoznaczoności ...

Spektrometria mas ...

Energia wiązania ...


Inne lekcje zawierające informacje o "Próżnia":

006. Demokryt i atomizm (plansza 8) i realność ruchu. „Poglądy jego były następujące: Początkiem wszechrzeczy są atomy i Próżnia. Wszystko inne jest tylko mniemaniem. Istnieje nieskończenie wiele światów, które rodzą ...

013. Stoicyzm - cnota, natura, obowiązek (plansza 5) bytu niematerialnego, duchowego czy idealnego. Co jest niematerialne, jest niebytem: niebytem jest Próżnia, a także przestrzeń i czas. ...

Interpretacja wiersza Bolesława Leśmiana pt. ˝Dziewczyna˝ (plansza 3) Stwórcy: „I była zgroza nagłych cisz! I była Próżnia w całym niebie! A ty z tej próżni, czemu drwisz, kiedy ta ...





Zachodniopomorskie Pomorskie Warmińsko-Mazurskie Podlaskie Mazowieckie Lubelskie Kujawsko-Pomorskie Wielkopolskie Lubuskie Łódzkie Świętokrzyskie Podkarpackie Małopolskie Śląskie Opolskie Dolnośląskie