Наука - Атомы и пустота

«Нет ничего, кроме атомов и пустоты». Демокрит из Абдер (V в. до н.э.)
Физическая энциклопедия говорит, что вакуум – это состояние газа при давлении меньше атмосферного. При этом часто подразумевают не просто «меньше», а «много меньше». В обычных условиях, при давлении в 1 атм. (760 мм рт. ст.) и температуре 0 по Цельсию, в литре воздуха находится примерно 30000000000000000000000 молекул разных газов.

Все эти частицы беспрестанно двигаются, летая с огромными скоростями в сотни метров в секунду, непрерывно сталкиваются друг с другом и с окружающими предметами, оказывая на них давление. По мере удаления от земной поверхности, с разрежением атмосферы, вакуум становится все заметнее, пока не достигнет космических масштабов. По современным оценкам, в самых «пустых» частях Вселенной на каждые 10 литров приходится всего одна (!) частица – ничтожно мало по сравнению с тем, что окружает нас на Земле.

Но вакуум можно создать и в земных условиях – в замкнутых сосудах, удалив оттуда лишний воздух. Уровень вакуума характеризуется концентрацией остающихся в сосуде молекул газа. Если уменьшить их количество в литре хотя бы в 10 раз по сравнению с окружающей атмосферой, это уже будет вакуум (низкий). В 1000 раз меньше частиц в литре – это средний вакуум. Если снизить их число в миллион раз – получим высокий вакуум. А для создания сверхвысокого вакуума (как на орбите искусственных спутников Земли) потребуется выкачивать молекулы газа до тех пор, пока в 1 л их не останется всего-навсего каких-то 10 млрд. (10¹⁰ из исходных 10²²). Задача это весьма непростая. Но зачем тратить колоссальные усилия, чтобы получить «ничто», пустоту? Однако вакуум – вещь очень полезная, а иногда просто необходимая.

Чем меньше концентрация молекул в газе, тем хуже он проводит тепло. Чем меньше кислорода, тем медленнее происходит окисление – медленнее портятся продукты и ржавеют материалы. Именно с этими свойствами вакуума и связаны его бытовые применения – например, вакуумная упаковка продуктов. Для нее достаточно низкого вакуума с давлением всего в сто раз меньше атмосферного, но каков эффект! Срок хранения продуктов увеличивается в несколько раз. Для сублимационной сушки, будь то кофейные зерна или плазма крови, нужен средний вакуум, как и для вакуумной плавки в металлургии, позволяющей получать очень чистые материалы.

Кинескоп обычного телевизора – не что иное, как вакуумный прибор с высоким вакуумом. Пучок электронов рисует изображение на люминесцентном экране, и чтобы электроны точно попадали в нужные места, путь их должен быть по возможности свободен от хаотически движущихся молекул. Это возможно только при давлении примерно 10^–6 мм рт. ст. Существуют и другие высоковакуумные изделия – электронные лампы, из которых собирали первые радиоприемники, а потом и компьютеры. Но это уже, можно сказать, прошлый век: сегодня вакуумные лампы применяют лишь в самых изысканных аудиосистемах, да и электронно-лучевые трубки телевизоров на наших глазах уступают место жидкокристаллическим экранам. И тем не менее потребность в вакуумных технологиях не только не уменьшается, а непрерывно растет.

Близкий родственник кинескопа – электронный микроскоп. Пучок электронов в вакуумной трубке «ощупывает» рельеф поверхности, позволяя разглядеть отдельные атомы размером в несколько миллиардных долей сантиметра. Электронные микроскопы производят десятки фирм и используют тысячи научных и производственных лабораторий. Однако в отличие от телевизора этот прибор не просто герметичная электронно-лучевая трубка, а целая установка со своей системой откачки.

Высокий вакуум требуется в масс-спектрометрах (приборах для определения молекулярного состава вещества) и в ускорителях, где до огромных скоростей разгоняют частицы. Кстати, масс-спектрометр – незаменимый инструмент для диагностики самих вакуумных систем и поиска течей. Напыление тонких пленок – еще одна область, где без высокого вакуума не обойтись. Так получают зеркальные стекла небоскребов и покрытие компакт-дисков. А в некоторых областях современного высокотехнологичного производства используют уже не только высокий, но и сверхвысокий вакуум.

Нужен вакуум и в быту. Термос – это две вложенные колбы, из замкнутого пространства между которыми откачан воздух, а потому внутренняя колба оказывается отлично изолирована от окружающей среды. Усовершенствование термоса, сделанное Джеймсом Дьюаром в конце XIX века, позволило использовать такой сосуд (теперь его называют дьюар) даже для хранения веществ, охлажденных до очень низких температур. Дьюар покрыл колбу отражающим материалом, чтобы уменьшить теплообмен за счет излучения, и добавил в вакуумированный объем активированный уголь, который при низких температурах особенно эффективно поглощает газы и таким образом повышает уровень вакуума.

Главный элемент любой вакуумной системы – насос. Его задача – освободить емкость от движущихся молекул. Вплоть до сверхвысокого вакуума работают, как правило, с насосами проточного типа, которые «выкидывают» молекулы газа наружу. В сверхвысоком вакууме такой метод становится неэффективным: проточный насос – это всегда «дырка» во внешнее пространство, и для поддержания вакуума он должен быть постоянно включен. Любая остановка, отключение электричества – и вакуума как не бывало, все придется начинать заново. Более надежным и эффективным оказался другой вариант – использование сорбционных насосов. Располагаясь внутри вакуумной камеры, они «собирают на себя» все лишние молекулы, очищая от них откачиваемый объем.

К сожалению, насосов, которые могут за один этап из атмосферного давления создавать высокий вакуум, не говоря уж о сверхвысоком, не существует. На входе высоковакуумного насоса уже должно быть пониженное давление, иначе он не сможет работать. Поэтому для получения высокого и сверхвысокого вакуума используют каскады из двух или даже трех разных насосов: сначала ставят простой предварительный (форвакуумный) насос, который «откачивает» воздух из промежуточного насоса, а на последнем этапе в тщательно откачанной и герметично закрытой вакуумной камере включают какой-нибудь сорбционный насос. А оценивают степень достигнутой пустоты с помощью специальных приборов – вакууметров.

Долгое время среди вакуумщиков особой популярностью пользовались два рабочих вещества – масло и ртуть. В несложных вакуумных системах и сейчас нередко можно встретить масляные насосы Геде. Масло играет роль смазки для ротора и прослойки, изолирующей внутренний объем от внешнего. Для высокого вакуума тот же Геде впервые описал другой тип конструкции – так называемый диффузионный насос, позволяющий получить вакуум до 10^–8 мм рт. ст.

Но вместе с развитием технологии меняются и приоритеты. В современных каталогах вакуумной техники рядом с указанием типа насоса помимо «проточный» или «сорбционный» часто имеется еще одна характеристика: «безмасляный» или «сухой». «Безмасляный» означает, что масла нет нигде в насосе, даже в виде смазки. А если смазка все же есть, но тщательно изолирована от рабочей зоны, пишут, что насос «сухой». С каждым годом масляных насосов в списке остается все меньше и меньше. В чем же причина такой нелюбви к маслу? Дело в том, что, несмотря на все ухищрения, молекулы масла все же проникают в вакуумную камеру. В высоком вакууме положение еще можно спасти с помощью ловушек, а в сверхвысоком такое загрязнение сводит все усилия на нет.

Совершенствование вакуума напоминает движение к абсолютному нулю температуры: чем ближе заветная цель, тем труднее дается каждый следующий шаг. Возьмем систему современных вакуумных насосов достаточной производительности и попробуем опустошить имеющуюся емкость. Преодолеть первые 7 порядков не составит особого труда (от атмосферного давления до 10^–4 мм рт. ст.). Дальше дело пойдет помедленнее, но, прождав терпеливо пару часов, убедимся, что давление уменьшилось еще на два порядка. На следующий порядок потребуются уже сутки, а еще через день непрерывной работы и безуспешных поисков течи мы поймем, что положение безнадежно: давление никак не хочет опускаться ниже отметки примерно 10^–7 мм рт. ст.

Опытный специалист сразу укажет нам на ошибку – мы не прогрели систему. Оказывается, на поверхности любого материала всегда адсорбировано небольшое количество газов. В обычных условиях это не имеет значения, а вот в вакууме все эти «растворенные» молекулы начинают постепенно выходить наружу: как говорят вакуумщики, материал «газит», загрязняя вакуумную камеру и не позволяя снизить давление. Радикальное решение проблемы – нагреть все, что должно соприкасаться с высоким вакуумом, и подержать в нагретом состоянии, пока все адсорбированные газы под действием теплового движения не выйдут наружу. Этот процесс называется дегазацией. Чтобы в установке получить вакуум 10^–10 мм рт. ст., нужно выдержать ее при 200⁰С, а для 10^–12 мм рт. ст. – уже при 400⁰С. Стоит открыть вакуумируемый объем, чтобы разместить образец или что-то отремонтировать, и придется начинать все сначала – снова прогревать и снова откачивать.

Немало хлопот доставляет вакуумщикам самый легкий газ – водород. Молекулы водорода, самые маленькие по размеру, при комнатной температуре движутся с самыми большими скоростями – почти 2000 м/с. В низком и среднем вакууме проблем с этим газом нет. Но когда доходит до высокого вакуума, оказывается, что со стремительными молекулами водорода не могут справиться даже самые высокоскоростные турбомолекулярные насосы, приходится ставить дополнительный насос или делать комбинированные системы – например, распылять хорошо поглощающий водород титан.

Особая проблема – сверхвысокий вакуум. Для изготовления сверхвысоковакуумных устройств пригодны только вещества с очень низким давлением паров в условиях рабочих температур, то есть те, которые испаряются чрезвычайно медленно, не успевая загрязнить вакуумную камеру. Такие материалы можно пересчитать по пальцам: алюминий, медь, тантал, титан, вольфрам, молибден, железо, платина, серебро да еще пара-тройка металлов, специальные вакуумные керамики и кварцевое стекло. Причем материалы должны быть очень чистыми (например, содержание примесей в меди – не более 0,001%). Однако даже при соблюдении всех мыслимых условий удержать вакуум выше 10^–8 мм рт. ст. можно только одним способом – за счет безостановочной работы насосов.

И все же овчинка выделки стоит. В сверхвысоком вакууме так мало молекул, что любая поверхность долго остается безукоризненно чистой. Для определения качества вакуума даже ввели особый параметр – время, в течение которого поверхность покрывается слоем толщиной в одну молекулу. Для вакуума 10^–8 мм рт. ст. это всего пара минут, а для 10^–10 мм рт. ст. – уже несколько часов. За это время вполне можно успеть нанести материал на подложку практически в идеальных условиях и, соответственно, с идеальным качеством. Сегодня интегральные схемы и многие полупроводниковые устройства изготавливают методом молекулярно-лучевой эпитаксии: в условиях сверхвысокого вакуума нужную структуру «выкладывают» буквально слой за слоем в нужной последовательности, получая элемент минимальных размеров с нужными свойствами. И это не научные эксперименты, а промышленное производство: быстродействующих интегральных схем, элементов мобильных телефонов, фотоприемников и лазерных диодов, которыми мы пользуемся, не задумываясь об их «вакуумном» происхождении.

Лет десять лет назад в Европейском центре ядерных исследований смогли получить первые атомы антиводорода – первое искусственное антивещество. Нужно было как-то уберечь эти уникальные экземпляры от мгновенной аннигиляции с обычным веществом, чтобы они пожили хотя бы некоторое время. Для этого в специальной криогенной ловушке был создан вакуум на уровне 10^–17 мм рт. ст., когда в каждом литре остается всего несколько десятков частиц. А это уже практически пустота – теннисные мячики, разбросанные на территории в несколько сот квадратных километров. Только в таких условиях удалось на некоторое время удержать и примерно сосчитать полученные антиатомы.

Представим, что мы достигли невероятного совершенства и убрали все атомы, молекулы и ионы. Но с физической точки зрения это еще не пустота : ведь пространство заполнено миллиардами неуловимых нейтрино и электромагнитными волнами, которые не мешают создавать технический вакуум. Пусть нам удалось избавиться и от этого, создав в чистом виде физический вакуум, где по определению нет никаких реальных частиц. Можно ли считать его абсолютной пустотой? Оказывается, нет! Современная теория гласит, что в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. На практике это приводит к сдвигу энергетических уровней в атомах и даже к появлению дополнительного давления, создаваемого этими частицами, которое носит название эффекта Казимира. Так что хотя Демокрит и был прав, говоря про атомы и пустоту, он, по-видимому, и не подозревал, что сама пустота может быть так же неисчерпаема, как и атом.

Отто фон Герике, бургомистр немецкого города Магдебурга в середине XVII века, был любознательным человеком и хорошим популяризатором: эффектные представления для широкой публики в немалой степени способствовали росту интереса к научным исследованиям. Как раз в то время благодаря работам ученых сформировалось понятие об атмосферном давлении и свойствах воздуха как некоей субстанции. Галилей доказал, что воздух имеет вес: он демонстрировал, как сосуд, где воздух разрежен, меньше погружается в воду. А Торричелли в своих знаменитых опытах по измерению атмосферного давления получил пустоту над ртутным столбиком. Опыты по созданию пустоты решил повторить и Отто фон Герике. Он заполнил бочку водой, подсоединил к ней насос и начал выкачивать воду. Но обода бочки сразу же треснули.

С более прочной бочкой случилось то же самое. Тогда Герике взял медный сосуд. Поршень сначала двигался легко, потом все тяжелее, и вдруг «внезапно, ко всеобщему ужасу, шар со страшным шумом разлетелся на мелкие куски, как если бы он был сброшен с высочайшей башни». Так описал это событие Герике в своей книге «Новые магдебургские опыты о пустом пространстве». Среди самых эффектных экспериментов Герике – опыт, впервые показанный в 1654 году в Регенсбурге императору Фердинанду III. Отто фон Герике взял две медные чаши (магдебургские полушария) и сложил их вместе, получив полую сферу диаметром около 35 см. Когда из сферы откачали воздух, две восьмерки лошадей не смогли растащить прижатые друг к другу полушария, удерживаемые только атмосферным давлением. Работа с вакуумом увлекла бургомистра. Он придумывал остроумные эксперименты, результаты которых изумляли самого автора не меньше, чем зрителей, и разрабатывал устройства для откачки воздуха. Свой первый вакуумный насос Отто фон Герике сделал в 1647 году, потом усовершенствовал его и даже построил первые многоуровневые системы откачки. Так 400 лет назад было положено начало вакуумной технике. А созданному в 1995 году в Магдебурге университету было присвоено имя Отто фон Герике.