Космическое разрежение в склянке
Опыт за опытом кончался одинаково: неудачей. Насмарку шел кропотливый труд, которому были отданы многие бессонные ночи. Как ни бился изобретатель электрической лампочки Александр Николаевич Лодыгин, как ни старался укрепить аккуратнее угольный стерженек в стеклянном шаровидном баллоне, лампочка не хотела гореть долго.
Иногда пять минут, в другой раз четверть часа посветит, да и погаснет, словно лучинка. Долго еще в глазах измученного изобретателя продолжал светиться раскаленный уголек. Но баллон давно уже остыл, а вместо уголька — черная пыль, осевшая на стенках лампочки...
Всё приходилось начинать сызнова.
Доведенный до отчаяния непослушным угольком, Лодыгин решил удалить из баллона воздух. Пущен в ход откачивающий насос, запаяна склянка, включена гальваническая батарея и — о радость! — уголек горит несколько часов. «Значит,— подумал Лодыгин,— воздух, вернее, его кислород, помеха делу?» И действительно, после того, как в склянке было создано большое разрежение, лампочка перестала быть лучиной и стала лампочкой.
Как только человек научился изгонять из стеклянного баллона воздух, возникла новая отрасль промышленности — электровакуумная. Вольфрамовая нить электролампочки раскаляется током до 3000 градусов, но не перегорает потому, что в стеклянном баллоне осталось очень мало воздуха, а значит, и кислорода, поддерживающего горение. Из телевизионной трубки удален почти весь воздух, и «электронный карандаш» без помех может рисовать изображение на экране. В радиолампах приемника сильнейшее разрежение, поток электронов почти беспрепятственно летит из раскаленных катодов, чтобы потом превратиться в музыку и речь.
Короче говоря, вся электровакуумная промышленность «держится на пустоте»: воздух и пустотная лампа— злейшие, непримиримые враги!
Но воздух исключительно упрям. Удалить его из баллона — дело нелегкое. Почему? Да потому, что воздуха там, сколько ни откачивай, оказывается все еще очень много. Сколько же?
Венский физик Йозеф Лошмидт сумел сосчитать количество молекул воздуха. Как именно он умудрился сделать это, мы рассказывать не станем. Отметим лишь, что Лошмидт совершил настоящий научный подвиг и вписал замечательную страницу в историю науки.
Зачерпнем наперстком воздух. Сколько молекул воздуха мы при этом захватили? Полагая, что объем наперстка один кубический сантиметр, мы смогли бы насчитать в нем 27 квинтиллионов молекул. Вон оно, это исполинское число:
27 000 000 000 000 000 000.
Число молекул в одном кубическом сантиметре воздуха названо в честь физика «числом Лошмидта».
Если бы все молекулы воздуха, заключенного в объеме спичечной коробки, вылетали из нее, подобно мухам, по тысяче штук в секунду, то через 1965 лет, истекших
с начала нашей эры, коробка была бы еще изрядно наполнена. ..
Если мы разместим молекулы воздуха из нашего наперстка в одну линию, то получим «нитку», которая 200 раз опояшет земной шар по экватору.
Возьмем меньшую величину — один кубический миллиметр воздуха, примерно объем булавочной головки. Мы насчитали бы в этом объеме 27 квадриллионов частиц. Столько же ведер воды содержится в Каспийском море. Потребовалось бы 700 000 лет, чтобы поштучно сосчитать эти молекулы...
Среди всего количества молекул на долю кислорода приходится круглым счетом одна пятая часть. Неудивительно, что угольная нить в баллоне Лодыгина, наполненном воздухом, быстро перегорала.
Ученые уже давно подсчитали, что если бы удалось выкачать воздух из склянки до степени его разрежения в межпланетном пространстве, то создание долговечной электрической лампочки было бы делом решенным. Но подсчет есть подсчет, и не более. Пока в распоряжении ученых не было насосов, способных «сделать» межпланетный вакуум, выкладки оставались только выкладками.
Латинское слово «вакуум» означает «пустота». Но пустота бывает разная, как разной, например, бывает соленость воды. Вода может быть на вкус едва солоноватой, соленой, очень соленой и, наконец, горько-соленой. Так и вакуум. Возможна самая различная степень разрежения воздуха. В науке и технике принято считать вакуумом всякое давление, меньшее нормального, то есть меньше 760 миллиметров ртутного столба. Чем больше выкачано из сосуда воздуха (или какого-либо газа), тем сильнее, или глубже, вакуум. Измеряют степень разрежения количеством миллиметров ртутного столба (или их долей), уравновешивающего давление в сосуде. Для этого имеются специальные вакуумные манометры.
Разумеется, с помощью таких насосов, какие были у Отто фон Герике, нельзя создать глубокий вакуум. И вообще поршневые насосы для этой цели непригодны. С помощью поршневого насоса можно понизить давление не больше чем до одной тысячной миллиметра ртутного столба. Конечно, и это немало, но до глубокого
вакуума весьма далеко. А без него современная техника обойтись не может.
Пришлось искать другие типы насосов. И они были созданы: пароструйные, масляные, ионные и другие. С их помощью достигли разрежения в одну миллиардную долю миллиметра ртутного столба. Такое разрежение господствует и в межпланетном пространстве, и в склянке долго работавшей электрической лампочки. Оговорка «долго работавшей» не случайна. Дело в том, что частицы раскаленного вольфрама (из которого сделан катод лампочки), разлетаясь, вбирают в себя молекулы газов, оставшихся в баллоне после откачки, и оседают на стенках. В результате вакуум в лампочке увеличивается.
Только два львовских электроламповых завода выпустили в 1964 году около 19 миллионов лампочек, и в каждой из них свое «космическое пространство». Добавим: этот искусственный космос создан человеком!
Возьмем в руки одну из новых лампочек. Много ли воздуха осталось в ней после откачки на заводе? Вычисление покажет, что в баллоне осталось еще 270 миллиардов молекул: почти в сто раз больше, чем людей на земном шаре!
Склянка, несмотря на глубокий вакуум, населена чрезвычайно густо. Оказывается, в ней обитают следующие «жильцы»:
молекул азота — 200 миллиардов,
молекул углекислого газа — 450 миллионов,
молекул кислорода и других газов — около 70 миллиардов.
Нечего сказать, пустота!..
Когда заходит речь о глубоком вакууме, счет ведется на молекулы. Чем меньше осталось их в сосуде, тем глубже в нем разрежение. Значит, молекулам придется пробежать больший путь, прежде чем они встретятся одна с другой. Этот путь свободного пробега молекул газа принято считать мерой вакуума.
Для низкого вакуума характерно такое состояние газа, при котором средняя длина свободного пути молекулы значительно меньше линейных размеров сосуда; следовательно, молекулы, двигаясь, чаще сталкиваются между собой, чем со стенками сосуда.
Разумеется, что при высоком (глубоком) вакууме картина в сосуде иная: средняя длина свободного пробега молекулы значительно превышает линейные размеры Сосуда; следовательно, молекулы чаще сталкиваются оо стенками, чем между собой. Например, при вакууме в одну миллионную долю миллиметра ртутного столба молекула пробежит без всяких помех 50 метров. Но что вы скажете о вакууме, при котором частицы способны пройти, не столкнувшись одна с другой, расстояние, примерно равное пути от Земли до Луны?.. Методы получения такого глубочайшего вакуума разработаны советскими учеными.
Добавим к сказанному о пробеге молекул в вакууме, что при комнатной температуре этот «бег» довольно резвый — километр в секунду!
Разумеется, нельзя представлять себе вакуум (даже самый глубочайший!) как совершенно «пустое» пространство. Вакуум — это особое состояние материи. Да, в вакууме изменяются пространственные связи между молекулами газов. Но вакуум заполнен электронами, протонами и другими частицами ядер. Это доказано не только теоретически с помощью очень сложной системы формул, но и опытным путем.
Итак, чем безлюднее «вакуумная улица», тем меньше помех встретится летящим электронам в лампе, тем долговечнее и надежнее будет эта лампа. Напомним, что средний диаметр частицы воздуха — одна треть миллионной доли миллиметра, а расстояние между ними в 9 раз больше. Но, несмотря на столь малые, микроскопические размеры, частицы воздуха — настоящие гиганты по сравнению с атомами и электронами. Для примера допустим, что электрон имеет размер мельчайшей пылинки. Тогда молекулу придется изобразить в виде шара диаметром в 8 метров. При ударе о множество подобных препятствий электрон растеряет свою энергию и лампа станет действовать плохо, а то и вовсе откажется работать.
Значит, чем меньше молекул воздуха останется в баллоне и чем больше будет путь их свободного пробега, тем меньшей станет вероятность столкновения электронов с молекулами, тем надежнее будет работа электровакуумного прибора.
Ученые — «охотники за вакуумом» — не прекращают дальнейших попыток уменьшить население «пустой» склянки.
Особенно глубокого вакуума удалось добиться при сооружении установок для изучения атомного ядра.
Самый крупный синхрофазотрон (так называется одна из таких установок) — на 10 миллиардов электрон-вольт — был построен в СССР, в городе Дубна Московской области (а ныне в СССР строится гигант на 70 миллиардов электрон-вольт!). Здесь ученые разгоняют протоны — частицы атомного ядра — до огромных скоростей. В кольцевой камере синхрофазотрона протон пролетает в секунду почти четверть миллиона километров. Ничто не должно мешать ему в стремительном полете. Протону необходим простор. Стало быть, «вакуумная улица» синхрофазотрона должна быть возможно более пустынной.
Внутри кольцевого туннеля, по которому мчатся протоны, господствует разрежение в одну миллиардную долю миллиметра ртутного столба. Такое разрежение внутри туннеля (это уже не маленькая склянка!) постоянно поддерживается 56 вакуумными насосами, непрерывно откачивающими воздух из туннеля.
Советские ученые из физико-технического института Академии наук УССР, руководимые Е. С. Боровиком и Б, Г. Лазаревым, создали конденсационные насосы для получения ультравакуума. При помощи этих насосов можно достичь разрежения в одну стомиллиардную долю миллиметра ртутного столба!
Такие насосы — непременная принадлежность новейших ускорителей заряженных частиц. В создаваемом конденсационными насосами ультравакууме частицы смогут двигаться еще быстрее, почти не встречая сопротивления.
Советский космонавт Алексей Леонов, можно сказать, встретился «лицом к лицу» с вакуумом космического пространства. Он покинул борт космического корабля «Восход-2» и через шлюзовую камеру вышел наружу... Шестьсот секунд продолжался этот беспримерный эксперимент.
Шестьсот секунд человек находился в вакууме! Специальный скафандр надежно защищал следопыта Вселенной. Внутри скафандра были нормальные, или, как говорят, комфортные условия: нормальная температура, обычное давление, постоянный приток кислорода для дыхания... А снаружи?
Даже если считать, что корабль «Восход-2» находился в момент выхода А. Леонова на высоте 200 километров над Землей, то плотность воздуха составляла по ту сторону скафандра 5,906·10-13, или иначе 1: 1 700 000 000 000 долю нормальной!
Человек, вооруженный знаниями, в результате упорного труда хотя еще и не произвел полной пустоты, но уже «сделал» космический вакуум и загнал его в самую обыкновенную склянку!..