Jako vakuum (z lat. vacuum – prázdno) označujeme prostředí, ve kterém nejsou žádné částice. Takové prostředí se ještě na Zemi ani ve vesmíru nepodařilo najít. Takže vakuum jako absolutní nic je pouze abstraktní pojem. Přiblížit se v reálu k němu můžeme snižováním tlaku = zředěním plynu. Proto ve fyzice jako vakuum označujeme prostor s tlakem nižším než je atmosférický tlak při běžné teplotě. Podle American Vacuum Society se vakuum rozděluje do několika stupňů.
|
název |
tlak |
|---|---|
|
nízké vakuum |
105 – 103 Pa |
|
střední vakuum |
103 – 10-1 Pa |
|
vysoké vakuum |
10-1 – 10-4 Pa |
|
velmi vysoké vakuum |
10-4 – 10-7 Pa |
|
ultravysoké vakuum |
10-7 – 10-10 Pa |
|
extrémně vysoké vakuum |
< 10-10 Pa |
Od dob tela vládl názor, že nemůže vzniknout prázdný prostor, že z něho příroda má strach – horror vacui. Aristotelův názor byl tak silný, že vládl celý středověk. Galileo Galilei v 17. století řešil problém velkovévody toskánského, kterému se nepodařilo vyčerpat pumpou vodu asi do výšky 9 m. Galilei pochopil, že tento jev odporuje strachu z prázdnoty. Galilei sice navrhl pokusy, ale byl již velmi starý a slepý, a proto se jich ujali jeho žáci Evangelista Torricelli a Vincenzo Viviani. Torricelli vytvořil v obrácené trubici se rtutí prostor, o kterém se domníval, že je zcela prázdný. Dnes víme, že v tomto prostoru jsou páry a plyny uvolněné ze rtuti a z vnitřního povrchu trubice – vzduch, vodní pára – o celkovém tlaku několik tisícin mm Hg. První experimenty s vakuem se konaly přímo v Torricelliho prostoru – např. v Accademii del Cimento z roku 1667 byl publikován tento pokus: měchýřek s uzavřeným nepatrným množstvím vzduchu se napne ve vakuu jako balón
Evangelista Torricelli.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Snižování tlaku plynu je spojeno s konstrukcí vývěvy. První mechanickou pístovou vývěvu sestrojil v roce 1654 Otto von Guericke a popsal ji ve spisu Experimenta Nova, ut vocantur Magdeburcia de Vacuo Spatio vydaném v roce 1672. Její zrození nebylo lehké. Nejprve se Guericke pokoušel o vytvoření vzduchoprázdna pomocí dřevěného sudu, měděné koule a silných mužů. Teprve pak sestrojil vývěvu a prováděl s ní řadu pokusů. Další vývěvu sestrojil Guerickův obdivovatel Robert Hooke pod dohledem Roberta Boylea. Na dalších dvě stě let vývoj vývěv ustal.
Boylova vývěva.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Robert Boyle 1661. Under Creative Commons.
V polovině 19. století práce s různým stupněm vakua přinesla objevy z dalších oblastí fyziky – Julius Plücker v roce 1859 objevil katodové paprsky, byl objeven doutnavý výboj, kanálové paprsky, Wilhelm Röntgen objevil paprsky X, Johann Wilhelm Hittorf první zatavil kov do skla, Heinrich Geissler prováděl sám první vakuové sklářské práce. Právě tyto poznatky měly řadu technických aplikací: Thomas Edison zkonstruoval první žárovku s uhlíkovým vláknem; John Ambrose Fleming v roce 1904 zkonstruoval první elektronku. Ze starších technologií připomeňme výrobu cukru, kde se používá tzv. vakuová krystalizace; polovodičových součástek, obrazovek, chemických látek, vytváření tenkých vrstev kovů např. při výrobě automobilových reflektorů nebo integrovaných obvodů v mikroelektronice, vakuové tavení kovů (při vakuovém tavení se roztavený kov zbavuje plynů v něm rozpuštěných – dusík, vodík), konzervace potravin, potrubní pošta atd.
Postupným vývojem vznikly vývěvy rotační, molekulové, difůzní nebo iontové. V průmyslu se využívá vakuum charakterizované snížením tlaku z normální hodnoty na tlak v rozmezí 103 Pa až 10–4 Pa. Snížení tlaku až do hodnot 10–1 Pa lze dosáhnout mechanickými vývěvami.
