Próżnia

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
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 ma zupełnie odmienne konotacje.

Próżnia w sensie fizyki[edytuj | edytuj kod]

W fizyce teoretycznej termin próżnia oznacza stan o najniższej energii.

Historia pojęcia[edytuj | edytuj kod]

Istnienie i sposób rozumienia pojęcia próżni zmieniało się w historii fizyki. W starożytnej koncepcji atomistycznej Leukipposa i Demokryta materialne atomy poruszały się w próżni[1]. Z kolei Arystoteles uznawał, że próżnia jest niemożliwa, jest bowiem nie-bytem. Ruch ciał oznacza przesuwanie jednych rodzajów rzeczy (np. powietrza) i zastępowanie ich innymi (np. poruszanym ciałem). Jedno ciało zastępuje inne ciało, a pomiędzy nimi nie ma żadnych przerw[2]. Jego następcom przypisuje się znane powiedzenie natura nie znosi próżni (horror vacui). Atomizm, wraz z uznaniem istnienia próżni, przyjmowany był m.in. przez epikurejczyków[3]. Poglądem dominującym, aż do XVI w. był jednak arystotelizm. Problem próżni był również jednym z najważniejszych w w średniowiecznej filozofii przyrody (m.in. Jan Buridan), gdzie łączono go z problematyką Boskiej władzy (czy Bóg może stworzyć próżnię?)[4].

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[edytuj | edytuj kod]

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

Szczególna i ogólna teoria względności[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

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. Doświadczenia ATLAS i CMS,przeprowadzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów (znajdującym się w CERN-ie w pobliżu Genewy) pozwoliły na potwierdzenie istnienia cząstki Higgsa, co zostało ogłoszone 4 lipca 2012.

W kwantowej teorii pola przez próżnię rozumie się często nieograniczony rezerwuar cząstek nieoddziałujących silnie i elektromagnetycznie, lecz oddziałujących słabo[potrzebne źródło]. 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 nieistniejącym 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).

Zobacz też: Fałszywa próżnia

Próżnia w sensie technicznym[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

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 próżnie:

Ciśnienie
w hPa (mbar)
Liczba cząsteczek
na cm³
Średnia droga swobodna
cząsteczki
Liczba 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 \infty 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.

Rekord[edytuj | edytuj kod]

Najlepsza sztucznie wytworzona przez człowieka na Ziemi próżnia, wynosi 10-13 Tr (~ 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[edytuj | edytuj kod]

Pompowanie[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

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.

Przypisy

  1. Giovanni Reale: Historia filozofii starożytnej. T. 1. Lublin: Wydawnictwo KUL, 1994, s. 192-193.
  2. Giovanni Reale: Historia filozofii starożytnej. T. 2. Lublin: Wydawnictwo KUL, 2001, s. 443.
  3. Giovanni Reale: Historia filozofii starożytnej. T. 3-4. Lublin: Wydawnictwo KUL, 1999, s. 218.
  4. Edith Dudley Sylla: Creation and Nature. W: The Cambridge Companion to Medieval Philosophy. A.S. McGrade (ed.). Cambridge University Press, 2003, s. 184-187.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • 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[edytuj | edytuj kod]

Wikimedia Commons
Zobacz hasło próżnia w Wikisłowniku