Досвід за досвідом закінчувався однаково: невдачею. Нанівець йшов кропітка праця, якому були віддані багато безсонні ночі. Як не бився винахідник електричної лампочки Олександр Миколайович Лодигін, як не старався зміцнити акуратніше вугільний стержень в скляному кулеподібному балоні, лампочка не хотіла горіти довго.
Іноді п'ять хвилин, в інший раз чверть години посвітить, та й згасне, немов лучинка. Довго ще в очах змученого винахідника продовжував світитися розпечений вугіллячко. Але балон давно вже охолов, а замість вуглинки - чорний пил, що осів на стінках лампочки.
Все доводилося починати заново.
Доведений до відчаю неслухняним вуглиною, Лодигін вирішив видалити з балона повітря. Пущений в хід відкачує насос, запаяна склянка, включена гальванічна батарея і - о радість! - вугіллячко горить кілька годин. «Значить, - подумав Лодигін, - повітря, вірніше, його кисень, перешкода справі?» І дійсно, після того, як в склянці була створена велика розрідження, лампочка перестала бути лучиною і стала лампочкою.
Як тільки людина навчилася виганяти зі скляного балона повітря, виникла нова галузь промисловості - електровакуумна. Шляхом утворення електролампочки розжарюється струмом до 3000 градусів, але не перегорає тому, що в скляному балоні залишилося дуже мало повітря, а значить, і кисню, що підтримує горіння. З телевізійної трубки видалений майже все повітря, і «електронний олівець» без перешкод може малювати зображення на екрані. У радіолампах приймача сильне розрідження, потік електронів майже безперешкодно летить з розпечених катодів, щоб потім перетворитися в музику і мова.
Коротше кажучи, вся електровакуумна промисловість «тримається на порожнечі»: повітря і пустотная лампа- найлютіші, непримиренні вороги!
Але повітря виключно впертий. Видалити його з балона - справа нелегка. Чому? Та тому, що повітря там, скільки не відкачувати, виявляється все ще дуже багато. Скільки ж?
Віденський фізик Йозеф Лошмідт зумів порахувати кількість молекул повітря. Як саме він примудрився зробити це, ми розповідати не будемо. Відзначимо лише, що Лошмідт здійснив справжній науковий подвиг і вписав чудову сторінку в історію науки.
Зачерпніть наперстком повітря. Скільки молекул повітря ми при цьому захопили? Вважаючи, що обсяг наперстка один кубічний сантиметр, ми змогли б нарахувати в ньому 27 квінтильйонів молекул. Он воно, це велетенське число:
27 000 000 000 000 000 000.
Число молекул в одному кубічному сантиметрі повітря названо в честь фізика «числом Лошмідта».
Якби всі молекули повітря, укладеного в обсязі сірникової коробки, вилітали з неї, подібно мухам, по тисячі штук в секунду, то через 1965 років, що минули
з початку нашої ери, коробка була б ще неабияк наповнена.
Якщо ми розмістимо молекули повітря з нашого наперстка в одну лінію, то отримаємо «нитку», яка 200 раз опоясуватиме земну кулю по екватору.
Візьмемо меншу величину - один кубічний міліметр повітря, приблизно обсяг шпилькової головки. Ми нарахували б у цьому обсязі 27 квадрильйонів частинок. Стільки ж відер води міститься в Каспійському морі. Знадобилося б 700 000 років, щоб поштучно порахувати ці молекули.
Серед усієї кількості молекул на частку кисню припадає круглим рахунком одна п'ята частина. Не дивно, що вугільна нитка в балоні Лодигіна, наповненому повітрям, швидко перегорала.
Вчені вже давно підрахували, що якби вдалося викачати повітря з склянки до ступеня його розрідження в міжпланетному просторі, то створення довговічної електричної лампочки було б справою вирішеною. Але підрахунок є підрахунок, і не більше. Поки в розпорядженні вчених не було насосів, здатних «зробити» міжпланетний вакуум, викладки залишалися тільки викладками.
Латинське слово «вакуум» означає «порожнеча». Але порожнеча буває різна, як різною, наприклад, буває солоність води. Вода може бути на смак ледь солоноватой, солоної, дуже солоною і, нарешті, гірко-солоною. Так і вакуум. Можлива найрізноманітніша ступінь розрідження повітря. В науці і техніці прийнято вважати вакуумом всяке тиск, менше нормального, тобто менше 760 міліметрів ртутного стовпа. Чим більше викачано із посудин повітря (або будь-якого газу), тим сильніше, або глибше, вакуум. Вимірюють ступінь розрідження кількістю міліметрів ртутного стовпа (або їх часток), врівноважує тиск в посудині. Для цього є спеціальні вакуумні манометри.
Зрозуміло, за допомогою таких насосів, які були у Отто фон Геріке, не можна створити глибокий вакуум. І взагалі поршневі насоси для цієї мети непридатні. За допомогою поршневого насоса можна знизити тиск не більше ніж до однієї тисячної міліметра ртутного стовпа. Звичайно, і це немало, але до глибокого
вакууму дуже далеко. А без нього сучасна техніка обійтися не може.
Довелося шукати інші типи насосів. І вони були створені: парострумінні, масляні, іонні та інші. З їх допомогою досягли розрідження в одну мільярдну частку міліметра ртутного стовпа. Таке розрідження панує і в міжпланетному просторі, і в склянці довго працювала електричної лампочки. Застереження «довго працювала» виник не випадково. Справа в тому, що частинки розпеченого вольфраму (з якого зроблений катод лампочки), розлітаючись, вбирають в себе молекули газів, що залишилися в балоні після відкачування, і осідають на стінках. В результаті вакуум в лампочці збільшується.
Тільки два львівських електролампових заводу випустили в 1964 році близько 19 мільйонів лампочок, і в кожній з них своє «космічний простір». Додамо: цей штучний космос створений людиною!
Візьмемо в руки одну з нових лампочок. Чи багато повітря залишилося в ній після відкачування на заводі? Обчислення покаже, що в балоні залишилося ще 270 мільярдів молекул: майже в сто разів більше, ніж людей на земній кулі!
Склянка, незважаючи на глибокий вакуум, населена надзвичайно густо. Виявляється, в ній живуть такі «мешканці»:
молекул азоту - 200 мільярдів,
молекул вуглекислого газу - 450 мільйонів,
молекул кисню та інших газів - близько 70 мільярдів.
Нічого не скажеш, порожнеча.
Коли заходить мова про глибокому вакуумі, рахунок ведеться на молекули. Чим менше залишилося їх в посудині, тим глибше в ньому розрідження. Значить, молекулам доведеться пробігти більший шлях, перш ніж вони зустрінуться одна з одною. Цей шлях вільного пробігу молекул газу прийнято вважати мірою вакууму.
Для низького вакууму характерно такий стан газу, при якому середня довжина вільного шляху молекули значно менше лінійних розмірів судини; отже, молекули, рухаючись, частіше стикаються між собою, ніж зі стінками посудини.
Зрозуміло, що при високому (глибокому) вакуумі картина в посудині інша: середня довжина вільного пробігу молекули значно перевищує лінійні розміри Посудини; отже, молекули частіше стикаються оо стінками, ніж між собою. Наприклад, при вакуумі в одну мільйонну частку міліметра ртутного стовпа молекула пробіжить без всяких перешкод 50 метрів. Але що ви скажете про вакуумі, при якому частинки здатні пройти, не зіткнувшись одна з іншого, відстань, приблизно рівне шляху від Землі до Місяця. Методи отримання такого глибокого вакууму розроблені радянськими вченими.
Додамо до сказаного про пробіг молекул в вакуумі, що при кімнатній температурі цей «біг» досить жвавий - кілометр в секунду!
Зрозуміло, не можна уявляти собі вакуум (навіть найглибший!) Як абсолютно «порожній» простір. Вакуум - це особливий стан матерії. Так, в вакуумі змінюються просторові зв'язки між молекулами газів. Але вакуум заповнений електронами, протонами та іншими частинками ядер. Це доведено не тільки теоретично за допомогою дуже складної системи формул, але і досвідченим шляхом.
Отже, чим Безлюдна «вакуумна вулиця», тим менше перешкод зустрінеться летять електронів в лампі, тим довговічніше і надійніше буде ця лампа. Нагадаємо, що середній діаметр частинки повітря - одна третина мільйонної частки міліметра, а відстань між ними
в 9 разів більше. Але, незважаючи на настільки малі, мікроскопічні розміри, частинки повітря - справжні гіганти в порівнянні з атомами і електронами. Для прикладу припустимо, що електрон має розмір найменшої пилинки. Тоді молекулу доведеться зобразити у вигляді кулі діаметром в 8 метрів. При ударі об безліч подібних перешкод електрон втратить свою енергію і лампа стане діяти погано, а то і зовсім відмовиться працювати.
Значить, чим менше молекул повітря залишиться в балоні і чим більше буде шлях їх вільного пробігу, тим меншою буде можливість зіткнення електронів з молекулами, тим надійніше буде робота електровакуумного приладу.
Вчені - «мисливці за вакуумом» - не припиняють подальших спроб зменшити населення «порожній» склянки.
Особливо глибокого вакууму вдалося домогтися при спорудженні установок для вивчення атомного ядра.
Найбільший синхрофазотрон (так називається одна з таких установок) - на 10 мільярдів електрон-вольт - був побудований в СРСР, в місті Дубна Московської області (а нині в СРСР будується гігант на 70 мільярдів електрон-вольт!). Тут вчені розганяють протони - частки атомного ядра - до величезних швидкостей. У кільцевій камері синхрофазотрона протон пролітає в секунду майже чверть мільйона кілометрів. Ніщо не повинно заважати йому в стрімкому польоті. Протону необхідний простір. Стало бути, «вакуумна вулиця» синхрофазотрона повинна бути максимально пустельній.
Усередині кільцевого тунелю, по якому мчать протони, панує розрідження в одну мільярдну частку міліметра ртутного стовпа. Таке розрідження всередині тунелю (це вже не маленька склянка!) Постійно підтримується 56 вакуумними насосами, безперервно відкачують повітря з тунелю.
Радянські вчені з фізико-технічного інституту Академії наук УРСР, керовані Є. С. Боровиком і Б, Г. Лазарєвим, створили конденсаційні насоси для отримання ультравакуума. За допомогою цих насосів можна досягти розрідження в одну стомільярдну частку міліметра ртутного стовпа!
Такі насоси - неодмінна приналежність новітніх прискорювачів заряджених частинок. У створюваному конденсаційними насосами ультравакууме частки зможуть рухатися ще швидше, майже не зустрічаючи опору.
Радянський космонавт Олексій Леонов, можна сказати, зустрівся «віч-на-віч» з вакуумом космічного простору. Він покинув борт космічного корабля «Восход-2» і через шлюзову камеру вийшов назовні. Шістсот секунд тривав цей безприкладний експеримент.
Шістсот секунд людина перебувала в вакуумі! Спеціальний скафандр надійно захищав слідопита Всесвіту. Усередині скафандра були нормальні, або, як кажуть, комфортні умови: нормальна температура, звичайний тиск, постійний приплив кисню для дихання. А зовні?
Навіть якщо вважати, що корабель «Восход-2» знаходився в момент виходу А. Леонова на висоті 200 кілометрів над Землею, то щільність повітря становила по ту сторону скафандра 5,906 · 10 -13. або інакше 1: 1 700 000 000 000 частку нормальної!
Людина, озброєна знаннями, в результаті наполегливої праці хоча ще і не справив повної порожнечі, але вже «зробив» космічний вакуум і загнав його в саму звичайну склянку.