Ва'куум (от лат. vacuum — пустота), состояние газа при давлениях значительно ниже атмосферного. Понятие В. применяется обычно к газу, заполняющему ограниченный объём, но нередко его относят и к газу, находящемуся в свободном пространстве, например в космосе. Поведение газа в вакуумных устройствах определяется соотношением между длиной свободного пробега l молекул (или атомов) и размером d , характерным для данного прибора или процесса. Такими размерами могут быть, например, расстояние между стенками вакуумного объёма, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами электровакуумного прибора и т.п. В зависимости от соотношения l и d различают: низкий В. (l<< d ), cpeдний В. (l~ d ), и высокий В. (l << d ).
В вакуумных установках и приборах размером d ~ 10 см низкому В. соответствует область давлений выше 102 н /м 2 (1 мм рт. ст. ), среднему В. — от 102 до 10-1 н /м 2 (от 1 до 10-3 мм рт. ст. ) и высокому В. — ниже 0,1 н /м 2 (10-8 мм рт. ст. ). Область давлений ниже 10-6 н /м 2 (10-8 мм рт. cm. ) называют сверхвысоким В. Однако, например, в порах или каналах диаметром d ~ 1 мкм поведение газа соответствует высокому В. при давлениях, начиная с 103 н /м 2 (десятки мм рт. ст. ), а в камерах для имитации космического пространства, размеры которых достигают десятков метров, границей между средним и высоким В. считают давления 10-3 н /м 2 (10-5 мм рт. ст. ).
Наиболее высокая степень В., достигаемая существующими методами, соответствует давлениям 10-13 —10-14 н /м 2 (10-15 —10-16 мм рт. ст. ). При этом в 1 см 3 объёма остаётся всего несколько десятков молекул. Достигаемая степень разрежения определяется равновесием между скоростью откачки газа и скоростью его поступления в откачиваемый объём. Поступление может происходить за счёт проникновения газа в вакуумную камеру извне через микроскопические отверстия (течи), а также в результате выделения газа, адсорбированного стенками или растворённого в них (см. Адсорбция ).
Свойства газа в условиях низкого В. определяются частыми столкновениями молекул газа друг с другом, сопровождающимися обменом энергией между ними. Такой газ обладает внутренним трением (см. Вязкость ). Его течение подчиняется законам аэродинамики (см. Аэродинамика разреженных газов ). Явления переноса (электропроводность, теплопроводность, внутреннее трение, диффузия) в условиях низкого В. характеризуются плавным изменением или постоянством градиента переносимой величины. Например, температура газа в пространстве между «горячей» и «холодной» стенками в низком В. изменяется постепенно. При этом переносимое количество тепла (теплопроводность ) или вещества (диффузия ) не зависит от давления. Если газ находится в двух сообщающихся сосудах при различных температурах, то при равновесии давления в этих сосудах равны. При прохождении тока в низком В. определяющую роль играет ионизация молекул газа (см. Электрический разряд в газе , Ионизация ).
В высоком В. свойства газа определяются только столкновениями его молекул со стенками. Столкновения молекул друг с другом происходят редко и играют второстепенную роль. Движение молекул между стенками происходит прямолинейно (молекулярный режим течения газа). Явления переноса характеризуются возникновением скачка градиента переносимой величины на стенках; например, во всём пространстве между горячей и холодной стенками примерно половина молекул имеет скорость, соответствующую температуре холодной стенки, а другая половина — скорость, соответствующую температуре горячей стенки, т. е. средняя температура газа во всём объёме одинакова и отлична от температуры как горячей, так и холодной стенок. Количество переносимого тепла, вещества и т.д. прямо пропорционально давлению газа. Давление газа, находящегося в сообщающихся сосудах, p 1 и p 2 при различных абсолютных температурах T 1 и T 2 определяется соотношением:
Прохождение тока в высоком В. возможно только в результате испускания (эмиссии) электронов и ионов электродами (см. Термоэлектронная эмиссия . Туннельная эмиссия . Вторичная электронная эмиссия , Фотоэлектронная эмиссия , Ионная эмиссия ). Ионизация молекул газа здесь играет второстепенную роль. Она существенна в тех случаях, когда длина свободного пробега заряженных частиц искусственно увеличивается и становится значительно больше расстояния между электродами (см., например, Магнетрон , Магнитный электроразрядный манометр ), или при их колебательном движении вокруг какого-либо электрода (см. Клистрон , Ионизационный манометр ).
Свойства газа в среднем В. являются промежуточными между его свойствами в низком и высоком В.
Особенности сверхвысокого В. связаны уже не с соударениями частиц, а с др. процессами на поверхностях твёрдых тел, находящихся в В. Поверхность любого тела всегда покрыта тонким слоем газа, который может быть удалён нагревом (обезгаживание). После этого поверхностные свойства тел резко изменяются: сильно увеличивается коэффициент трения, в ряде случаев становится возможной сварка материалов даже при комнатной температуре и т.д. Удалённый слои газа постепенно восстанавливается в результате адсорбции молекул газа, бомбардирующих поверхность, что сопровождается изменением её поверхностных свойств. Для изменения этих свойств достаточно образования мономолекулярного слоя газа. Время t , необходимое для образования такого слоя в В., обратно пропорционально давлению. При давлении p = 10-4 н /м 2 (10-6 мм рт. ст .) t = 1 сек , при др. давлениях время t (сек ) может оцениваться по формуле: t = 10-6 * р , где р — давление в мм рт. ст. (или по формуле t = 10-4 * р ), где р — давление в н /м 2 . Эти формулы справедливы, если каждая молекула газа, ударяющаяся о поверхность, остаётся на ней (так называемый коэффициент захвата равен 1). В ряде случаев коэффициент захвата меньше 1 и тогда время образования мономолекулярного слоя соответственно увеличивается. При р < 10-6 н /м 2 (10-8 мм рт. ст. ) образование мономолекулярного слоя газа происходит за время, превышающее несколько мин . Сверхвысокий В. определяется как такой В., в котором за время наблюдения не происходит существенного изменения свойств поверхности (первоначально свободной от газа) вследствие её взаимодействия с молекулами газа. О получении и применении В. см. Вакуумная техника , об измерении В. — Вакуумметрия .
Лит. см. при ст. Вакуумная техника .
А. М. Родин.