В чем содержать вакуум?

Газ растворен в металле? Разумеется, такого не может быть… Разве что в твердом теле имеются поры, а в них — газ?.. Но отдельные молекулы какого-либо газа, вкрапленные в твердое тело, вряд ли можно называть газом: ведь газ — это не просто некоторое количество определенных молекул, это определенное агрегатное состояние того или иного вещества, которое должно подчиняться «газовым законам». А молекулы веществ, являющихся при нормальных условиях газами, попав в твердое тело, этим законам подчиняться перестают. Тем не менее, их называют «газ, растворенный в металле», и если эти молекулы выделяются обратно из твердого тела, то они снова представляют собой газ. Таким образом, при определенных условиях из твердых веществ могут выделяться молекулы различных газов. Это обстоятельство крайне нежелательно при работе вакуумной техники. Мало приятного, когда в откачиваемый объем из стенок камеры выделяются все новые и новые порции молекул газа. А без твердого тела при получении вакуума не обойтись, поскольку, чтобы получить вакуум, надо отделить откачиваемый газ от атмосферы. И лучше всего это можно сделать именно твердыми стенками. Единственный случай, когда в таких стенках нет необходимости, — это при откачке всей атмосферы сразу (см. роман А. Р. Беляева «Продавец воздуха»). Однако использование вакуумной техники для порабощения человечества, о чем мечтал герой этого романа, — не лучшее ее применение. Но вернемся к проблеме твердых (например, металлических) стенок, отделяющих вакуум от атмосферы. Из этих стенок выделяются и попадают в вакуум молекулы газов, и, как мы уже знаем, этот процесс мешает получать высокий вакуум. От чего зависит его скорость? Сначала — от скорости отрыва молекул газа от поверхности металла (этот процесс называется десорбцией). По мере того как все больше и больше молекул газа из поверхностного слоя металла уходит в вакуум, поток газа уменьшается, так как молекулам приходится «пробираться» к поверхности через все более толстый слой металла. Наконец, поток газа начинает ограничиваться (лимитироваться) скоростью диффузии.

Понятие лимитирования многостадийного процесса какой-то одной стадией очень важно для физики вообще, так как практически любой процесс многостадиен. Общая скорость протекания процесса или количество объектов «проследовавших» по всему процессу, определяется обычно какой-то одной стадией. Пока молекул газа в металле много, лимитирующей стадией является десорбция. Когда молекул газа становится мало, диффундирующий поток уменьшается, и тогда уже определяющей стадией становится диффузия.

/Из чего делают «стенки» для вакуума? В вакуумной технике в основном применяют металлы, керамику, стекло, реже пластмассы. Еще реже — слюду и некоторые лаки. Вакуумные требования к материалам просты и понятны: они не должны портить вакуум, т. е. должны слабо испаряться сами и содержать мало выделяющихся в вакуум примесей. Основные «неприятные» примеси — это находящиеся в твердых материалах газы. Правда, легко испаряться могут не только газы, но и сами металлы. Например, быстро испаряются цинк и кадмий. При температуре всего лишь 200 °C цинк испаряется со скоростью 1 мкм/ч, а кадмий — 30 мкм/ч. При нагреве до 300 °C скорости испарения цинка и кадмия увеличиваются в 300 раз. Поэтому латунь, кадмированное или оцинкованное железо применять для деталей, работающих в вакууме, нельзя. При относительно слабом нагреве на всех соседних поверхностях образуется серый налет цинка или кадмия. Однако летучие металлические примеси — явление редкое, и его можно избежать, всего лишь навсего используя металл, не содержащий этих примесей. А вот от газовых примесей избавиться много труднее. Они попадают в металл и из исходной руды, и на некоторых стадиях изготовления.

Чем определяется концентрация газа, растворенного в металле? На этот вопрос существуют два ответа — термодинамический и микроскопический. Первый краток, второй интересен. Ситуация похожа на ту, которая имеется в механике — законы сохранения дают простое решение задачи, но узнать, как именно протекает процесс, можно только с помощью законов динамики.

Термодинамический ответ: газы растворяются в металле, потому что это энергетически выгодно.

Микроскопический ответ: вокруг металла имеются молекулы газа и существует, следовательно, поток этих молекул, попадающий на поверхность металла. Молекула, оказавшаяся на поверхности металла, с некоторой вероятностью попадает внутрь металла. Поток в металл зависит от концентрации газа над поверхностью металла, от температуры газа (растет с увеличением температуры) и от химических свойств газа и металла, участвующих в процессе.

Если в металле есть примесь газа, то будет существовать и поток газа из металла наружу, зависящий от температуры металла, от того, какой металл и какой газ, и от концентрации газа в металле. При некоторой концентрации газа в металле потоки из металла и в металл станут равными.

Заметим, что при примитивном анализе эти два подхода отвечают на разные вопросы. Например, зависимость предельной растворимости от давления легче получить из второго подхода (микроскопического). Конечно, законы природы неизменны, и любой правильный подход должен давать правильный ответ. Но усилия, затраченные на получение правильного ответа, различны при использовании разных подходов. Искусство исследователя состоит и в выборе метода, дающего правильный ответ, по возможности, дешево и быстро. Р. С. Гу-тер, которому автор этих строк обязан вообще очень многим (не только уважением к математике), говорил: «Математик — это человек, который знает общий метод, но умеет без него обойтись». Р. С. Гутер умел найти для каждого из своих учеников эффективный частный прием — он и в педагогике был математиком. Пусть эти строки послужат данью любви и уважения, увы, запоздалой.

Итак, газ растворился в горячем металле. Что дальше? Металл охлаждается, и если растворимость газа при охлаждении убывает, то газу надо куда-то деваться. Продиффунди-ровать до поверхности и вернуться в атмосферу он не успеет, и поэтому газ собирается в виде пузырьков около дефектов кристаллической решетки или границ зерен. Выделяясь в зоне границы, газ образует химические соединения с основным металлом — окислы, нитриды и т. д. При нагреве атомы газа растворяются в металле. Например, если титан нагреть на воздухе, он окислится и станет цветным. Цвет появляется из-за интерференции света в тонкой пленке окисла. В зависимости от толщины пленки ее цвета могут быть разными *). Если потом нагреть металл в вакууме примерно до 1000 К, он очистится, хотя эта температура для испарения окиси титана будет недостаточна. Тогда куда же девается пленка? Распадется на титан и кислород, а кислород растворится в металле.