próżnia

próżnia,

fiz.:

1) Stan jaki panuje w wyodrębnionej objętości po całkowitym usunięciu z niej jakichkolwiek substancji; w rzeczywistości w próżni zawsze są obecne mniej lub bardziej liczne cząsteczki gazów, stąd przez próżnię określa się stan gazu znajdującego się pod ciśnieniem znacznie obniżonym w stosunku do ciśnienia atmosferycznego; poziom próżni mierzy się w jednostkach ciśnienia (Pa). W próżni średnia droga swobodna cząsteczek staje się porównywalna z rozmiarem charakterystycznym naczynia; rozróżnia się próżnię bardzo wysoką, wysoką, średnią i niską, przy czym średnie drogi swobodne cząsteczek są odpowiednio znacznie większe, większe, porównywalne i mniejsze od rozmiaru charakterystycznego naczynia, stąd charakter próżni zależy zarówno od ciśnienia, jak i od rozmiarów naczynia. Dla rozmiaru charakterystycznego rzędu 0,1 m obszarowi bardzo wysokiej próżni odpowiadają ciśnienia poniżej 10⁻⁶ Pa, wysokiej próżni 10⁻⁶–10⁻¹ Pa, średniej 10⁻¹–10² Pa, niskiej — powyżej 10² Pa. W wysokiej próżni zmienia się rodzaj przepływu gazu z lepkiego na molekularny, stąd przekazywanie ciepła zachodzi w wyniku kolejnych zderzeń molekuł ze ścianką gorącą i zimną, strumień ciepła jest proporcjonalny do ciśnienia i do różnicy temperatur, a nie zależy od odległości między ściankami. W wysokiej próżni prąd elektryczny może płynąć po wprowadzeniu do niej cząsteczek naładowanych na drodze np. emisji termoelektronowej, emisji autoelektronowej, zjawiska fotoelektrycznego (emisja elektronów). Wytrzymałość dielektryczna wysokiej próżni wynika z procesów zachodzących na ściankach po przyłożeniu do nich pola elektrycznego i nie zależy bezpośrednio od ciśnienia gazu. Przebicie elektryczne może wynikać z oderwania od ścianek makroskopowych cząsteczek materiału niosących ładunek, powstawania emisji autoelektronowej na ściance, tworzenia się przy ściance plazmy.
Do uzyskiwania próżni stosuje się pompy próżniowe, do pomiaru — próżniomierze. W technice niską i średnią próżnię stosuje się m.in. w procesach suszenia, impregnacji, liofilizacji oraz w metalurgii. Próżnia wysoka jest stosowana jako izolacja ograniczająca dopływy ciepła, szczególnie w zakresie temperatur kriogenicznych (naczynie Dewara, kriostat). O znaczeniu próżni w technice decyduje fakt, że możliwe jest zachodzenie procesów niezakłócanych obecnością materii lub zakłócanych w niewielkim stopniu. Swobodny przepływ ciał lub cząsteczek przez próżnię, wolny od zderzeń z cząsteczkami lub atomami gazów, wykorzystuje się np. w lampach i mikroskopach elektronowych, lampach rentgenowskich, urządzeniach plazmowych i termonuklearnych, akceleratorach cząstek (próżnia bardzo wysoka). Próżnia pozwala na uzyskanie bardzo czystych powierzchni, co jest istotne np. przy napylaniu cienkich warstw czy w rozwijających się obecnie nanotechnologiach. W związku z obniżaniem się ciśnienia w miarę oddalania od powierzchni Ziemi, na pewnej wysokości panują warunki odpowiadające próżni wysokiej, a w przestrzeni kosmicznej — bardzo wysokiej (10⁻¹³ Pa); stąd wysoką próżnia stosuje się przy symulacji warunków panujących w kosmosie. Największą instalacją bardzo wysokiej próżni, z dotychczas zbudowanych, była rura wiązki akceleratora LEP w CERN; próżnię o poziomie 10⁻¹⁰ Pa wytwarzano w rurze o całkowitej długości ponad 27 000 m i objętości 270 m³. Najwyższa uzyskiwana i mierzona próżnia wynosi 10⁻¹¹ Pa.

Maciej Chorowski

2) Pojęcie używane w kwantowej teorii pola dla oznaczenia stanu bez cząstek (ściślej, stanu własnego operatora liczby cząstek o zerowej wartości własnej); bardzo ważną charakterystyką danej teorii jest wartość energii jej stanu próżni — zależy ona m.in. od składu pól kwantowych oraz geometrii i topologii układu. W teoriach uwzględniających grawitację (np. gdy uwzględnia się oddziaływania grawitacyjne przy badaniu atomu wodoru) energia próżni na jednostkę objętości jest stałą kosmologiczną, natomiast bez oddziaływania z grawitacją mierzy się jedynie zmiany wartości tej energii, np. przy zmianie geometrii. Stan próżni wbrew nazwie nie jest pusty, gdyż inne operatory niekomutujące z operatorem liczby cząstek, np. operator pola w elektrodynamice kwantowej, mogą w stanie próźni mieć różne od zera wartości średnie; przykładem może być niezerowa średnia wartość pola Higgsa (Higgsa cząstka). Fakt nieznikania innych wartości średnich w stanie próżni, np. średniego kwadratu ładunku, można interpretować jako obecność w próżni wirtualnych par cząstka–antycząstka (o zerowej sumarycznej energii), które są kreowane z próżni i anihilują do próżni (są to tzw. fluktuacje próżni).