Zobrazit doplňující text

Ve vakuových systémech při tlacích odpovídajících podmínce (6.21) se molekuly a ostatní částice (elektrony, ionty) pohybují bez vzájemných srážek, to jest pohybují se po přímkových trajektoriích, jejichž směr se mění jen ve srážkách se stěnou systému. Vliv gravitace na tvar trajektorie molekuly je při její velké střední rychlosti v systémech běžných rozměrů zanedbatelný. Tato skutečnost má velmi důležitý význam pro fyzikální přístroje a zařízení a přirozeně i pro technické a technologické aplikace (vakuová elektronika, elektronový mikroskop, urychlovač částic, vakuové naparování a další). Přitom je nutno mít na zřeteli, že ve vakuových systémech obvyklých rozměrů (řádově 10^-1 m) je podmínka (6.21) splněna při tlacích, při nichž je hustota molekul značně velká - činí řádově 10¹⁸ m^-3.

Při srážce molekuly plynu s povrchem stěny systému dochází k dalším velmi významným procesům. Mezi molekulou plynu a částicemi povrchu pevné látky dochází k velkému silovému působení. Je to proto, že jde vlastně o tytéž síly, jimiž jsou molekuly pevné (nebo kapalné) látky k sobě vázány; jde tedy o síly, jež jsou příčinou soudružnosti a pevnosti látky. U částic povrchu pevné látky nejsou tyto vazební síly nasyceny a nasycují se právě prostřednictvím vazby molekul plynu. Molekuly plynu vázané povrchem vytvářejí vrstvu plynu (tzv. adsorbovanou vrstvu) charakterizovanou povrchovou hustotou N_s Pro určitou pevnou látku, druh molekul plynu a teplotu existuje charakteristická doba pobytu t molekuly na stěně. Na stěnu dopadá za daných podmínek za sekundu určitý počet molekul N. Tyto molekuly na povrchu setrvávají v průměru po dobu z. Za stejnou dobu opouštějí povrch jiné molekuly, jejichž doba pobytu právě uplynula. Je-li vakuový

systém v rovnováze, jsou oba počty molekul stejné. Poněvadž počet molekul N dopadajících za sekundu na 1 cm² je dán vztahem

v němž N_V je hustota molekul, je souvislost mezi objemovou hustotou N_V a povrchovou koncentrací N_s dána vztahem

Z toho je patrné, že při dostatečně nízkých tlacích, a tím při dostatečně malých hustotách N_V, může být povrchová hustota velmi malá, zejména tehdy, je-li krátká doba pobytu .

Je nutno si uvědomit, že na povrchu pevné látky se může vázat jen určitý počet molekul plynu, pokud mají být v přímé vazbě s povrchem (to je tzv. monomolekulární adsorpce). Na daném povrchu je k dispozici jen určitý počet adsorpčních míst, řádově 10¹⁴ až 10¹⁵ cm^-1 pro nejběžnější případy povrchu a plynu. Tento počet tedy udává také povrchovou hustotu monomolekulární vrstvy

.

Všechny běžně dostupné povrchy jsou vystaveny dopadu molekul naší atmosféry. Při atmosférickém tlaku je počet dopadů molekul řádově 10²³ cm^-2. s^-1. Proto jsou tyto povrchy vždy pokryty adsorbovanou vrstvou plynu. Takový povrch má určité vlastnosti, jež jsou však podstatně odlišné od vlastností „čistého" - tj. molekulárně čistého - povrchu. Právě vlastnosti molekulárně čistých povrchů jsou velmi důležité a jsou i technicky významné (např. pro mikroelektroniku). Zcela čistý povrch (tj. takový, při něnž je N_s = 0) je ovšem prakticky nerealizovatelný. Za prakticky čistý povrch považujeme takový, při němž je N_s adsorbovaných molekul značně menší než hustota monomolekulární vrstvy.

Připravit čistý povrch je možno různým způsobem. Každý z nich však musí být prováděn tak, aby během přípravy a i v další době nemohlo nastat znečištění. Zmíníme se jen o některých ze způsobů přípravy čistého povrchu: 1. Odstraněním adsorbovaných molekul bombardováním elektrony nebo ionty. Tyto částice udílejí přitom adsorbovaným molekulám takovou energii, že se uvolní z vazby na povrchu a desorbují. 2. Odplynění adsorbovaných molekul zahřátím látky na vysokou teplotu. 3. Odštípnutím povrchové vrstvy látky společně s adsorbovanou vrstvou. Tím se připraví nový povrch pevné látky.

Všechny tyto způsoby přípravy čistého povrchu se musí provádět při tak nízkém tlaku, aby se povrch znovu neznečistil. Důležitou charakteristikou pro uchování čistého povrchu je doba tvorby monomolekulární vrstvy t⁺. Předpokládejme, že na počátku máme ve vakuovém systému povrch zcela zbavený adsorbovaných molekul a uvažovaným podmínkám odpovídající hustota monomolekulární vrstvy je . Je-li každá molekula, která dopadne na povrch, adsorbována, je doba t⁺ rovna poměru k počtu molekul dopadajících na povrch N, tj.

Pro vzduch za normální teploty a pro = 10¹⁵ cm^-2 je

U uvedeného je zřejmé, že doba t⁺ je velmi krátká a že teprve při nízkých tlacích je tak dlouhá, že můžeme během části doby t < t⁺ počítat s povrchem jako prakticky čistým. Tak jsme se dostali k nové podmínce pro nízké tlaky, jež je definována prostřednictvím doby t⁺. Této podmínce říkáme ultravakuová a vakuové systémy ji splňující nazýváme ultravakuové systémy.