Сверхвысокий вакуум

С технической стороны сверхвысокий вакуум определяется как область состояния газа, давление которого ниже чем 10^-6Па. С физической стороны состояние, когда число молекул газа, адсорбированных поверхностями вакуумной камеры, значительно превышает число молекул, находящихся в объеме.

На рис. 2 приведена таблица, дающая представление об областях применения сверхвысокого вакуума.

Рис.2. Области применения сверхвысокого вакуума

Физика поверхности, по-видимому, является той областью науки, которая положила начало развитию техники сверхвысокого вакуума. При давлениях порядка 10^-4Па на поверхности в течение нескольких секунд образуется слой газообразных веществ. Если же давление составляет 10^-8Па, то для образования мономолекулярного слоя адсорбированного газа требуется несколько часов. Таким образом, в условиях сверхвысокого вакуума можно получать и изучать атомно чистые поверхности, а также направленно изменять их состояние с целью придания материалам заданных свойств. Это принципиально важно как для фундаментальной (изучение атомной и электронной структуры поверхностей), так и для прикладной (создание новых материалов) науки.

Поведение сверхразреженного (ультраразреженного) газа отличается целым радом особенностей.

1. В условиях высокого и сверхвысокого вакуума нельзя говорить о давлении одной части газа на другую. В этих условиях происходит обмен импульсами молекул со стенками. Имеет смысл только понятие давления газа на стенку.

2. Отсутствует внутреннее трение газа. Однако тело, движущееся в ультраразреженном газе, будет испытывать действие сил трения, обусловленное ударами молекул о тело.

3. Передача тепла. Средняя энергия молекул равняется , где , а n – степень свободы молекулы. Таким образом, на каждую степень свободы приходится энергия равная kT/2.

Рис.3 Передача тепла

Рассмотрим две пластины (рис.3), между которыми находится сверхвысокий вакуум (ультраразреженный газ). Пусть площади пластин одинаковы и равны F. Каждая из NqF молекул, ударяющихся в секунду о верхнюю пластину, приносит с собой энергию ikT₂/2 и уносит энергию ikT₁/2. Следовательно, каждый удар молекулы о пластину приводит к потере пластиной энергии . Такое же количество энергии получает при каждом ударе вторая пластина. Таким образом, количество энергии, переносимое молекулами в единицу времени, будет равно . Умножив и разделив это выражение на N_A (число Авагадро), получим (с учетом того, что N_Ak=R, N_A=M/m, где R – универсальная газовая постоянная, М – молекулярная масса газа, m – масса молекулы)

. (9)

Если сравнить это выражение с формулой Ньютона для теплообмена: , то видим, что коэффициент теплопередачи, равный , в ультраразреженном газе пропорционален плотности. Следовательно теплопередача от одной стенки к другой будет с понижением давления уменьшаться. В то время как теплопроводность газа при нормальных (невакуумных) условиях не зависит от давления.

Дата добавления: 2014-01-07