1.2.1. Химически самая инертная среда

Химическая инертность вакуума используется в электрических лампочках и в электронных лампах. И в тех и в других есть сильно нагретые металлические детали. В электрической лампочке это спираль. Если в лампочку попадет воздух, спираль мгновенно сгорает, а баллон покрывается бе­лым налетом — окисью вольфрама (если воздух в лампочку попадает медленно, т. е. реакция идет не с избытком, а с недостатком газа, образуется другая окись вольфрама — го­лубого цвета). Заметим, что с точки зрения химической инерт­ности небезразлично, молекулы каких газов остались в лампе. В первую очередь опасен кислород.

Оценим, какое давление кислорода может быть в лампоч­ке, чтобы она служила не менее 1000 часов. При высоких температурах каждая молекула кислорода, попавшая на поверх­ность вольфрама, вступает с ним в химическое взаимо­действие, а получившаяся в результате реакции молекула окиси вольфрама испаряется, открывая другим молекулам кислорода доступ к металлу. При окислении вольфрама нить становится тоньше, ее электрическое сопротивление увеличивается, потреб­ляемая мощность, а вместе с нею и сила испускаемого света уменьшаются. Предположим, что допустимое уменьшение ра­диуса нити 5 мкм*). Слой вольфрама единичной площади и толщиной 5 мкм имеет массу около 100 г/м² (при плотности вольфрама як 20 г/см³). На окисление одного атома вольфрама расходуются три атома кислорода, поэтому на окисление 5 мкм вольфрама пойдет

кислорода (где А (О) = 16 — атомная масса кислорода, A (W) = - 184 — атомная масса вольфрама), что составляет прибли­зительно 25 г/м², или 5-10²³ молекул/м² (масса 6-10²³ молекул кислорода равна 32 г).

При каком давлении воздуха за 1000 часов на единичную площадь поверхности вольфрама попадет 5 -10²³ молекул/м² кислорода? При атмосферном давлении (10⁵ Па) концентрация молекул кислорода составляет

Приравняв тепловую энергию ЗкТ/2 молекулы кислорода средней кинетической энергии mv²/2, можем определить ее сред­нюю скорость (т — масса молекулы, &=1,38-10~²³ Дж/К — постоянная Больцмана). После чего легко посчитать плот­ность потока молекул кислорода, падающего на поверхность вольфрама при давлении Р

*) При исходном диаметре проволоки, равном 0,1 мм, уменьшение ее радиу­са на 5 мкм увеличит сопротивление проволоки и уменьшит потребляемую ею мощность примерно на 20%. Этот расчет вы легко проведете сами.

(Р/10⁵) ■ 3 • 10²⁵ • 500 = Р ■ 1,5 • 10²³ молекулДм² ■ с), где давление Р выражено в паскалях.≈

Таким образом, количество молекул, попадающих на по­верхность металла за 1000 часов, составляет

Р -1,5 • 10²³ ■ 1000 • 3600 «Р ■ 0,5 ■ 10³⁰ молекул/м².

Нам надо, чтобы это количество не превышало критического значения, равного 0,5 ■ 10²⁴ молекул/м², следовательно, давление кислорода в лампе не должно превышать значения Р = 10 ^-6 Па. Это ограничение накладывается на давление в лампе кис­лорода или иного газа, так же активно взаимодействующе­го с вольфрамом.