Y a-t-il de l'air dans le vide ? Comprendre la pression, la matière et l'« espace vide »
La réponse courte : Non
Par définition, le vide est un espace dépourvu de matière — y compris l'air. L'air est un mélange de gaz (principalement 78 % azote, 21 % oxygène, 1 % argon, plus gaz traces et vapeur d'eau). L'élimination de ces gaz crée le vide.
Degrés de vide : un spectre
En pratique, un vide « parfait » (zéro particule, pression nulle) est physiquement inaccessible. On classe les vides par gamme de pression :
| Régime | Plage de pression | Environnement / Application typique |
|---|---|---|
| Vide poussé / Vide grossier | 1 atm → 1 mbar (100 Pa) | Aspirateurs, thermoformage, dégazage |
| Vide moyen | 1 mbar → 10⁻³ mbar | Lyophilisation, revêtement, pulvérisation |
| Vide élevé (HV) | 10⁻³ mbar → 10⁻⁷ mbar | Tubes électroniques, accélérateurs de particules, science des surfaces |
| Vide ultra-élevé (UHV) | 10⁻⁷ mbar → 10⁻¹² mbar | Épitaxie par jets moléculaires (MBE), microscopie à effet tunnel (STM), détecteurs d'ondes gravitationnelles (LIGO) |
| Vide extrême (XHV) | < 10⁻¹² mbar | Physique des surfaces avancée, physique atomique |
Même en UHV (~10⁻¹⁰ mbar), il reste ~3 millions de molécules par cm³. Le libre parcours moyen dépasse 100 km — les molécules heurtent les parois de la chambre bien plus souvent qu'entre elles.
Comment on crée le vide
- Pompes mécaniques (amorçage) : À palettes rotatives, membrane, spirale (scroll) ou soufflantes Roots. Compressent le gaz de l'atmosphérique à ~10⁻² mbar.
- Pompes à vide élevé : Turbomoléculaires (transfert d'impulsion), cryopompes (condensation sur surfaces froides), pompes ioniques (pulvérisation/piégeage), pompes à diffusion (jet de vapeur). Nécessitent une pompe mécanique en aval.
- Getters / Getters non évaporables (NEG) : Alliages réactifs (Zr-V-Fe) qui lient chimiquement les gaz résiduels (H₂, CO, CO₂, N₂) une fois activés par chauffage.
Pourquoi « pas d'air » change la physique
- Pas de convection/conduction : Le transfert de chaleur se fait uniquement par rayonnement. Crucial pour la conception thermique spatiale et l'isolation sous vide (thermos).
- Pas de propagation du son : Le son nécessite un milieu.
- Abaissement des points d'ébullition : Les liquides bouillent/s'évaporent rapidement. Base de la lyophilisation et de la distillation sous vide.
- Faisceaux d'électrons/particules : Propagation libre pour tubes cathodiques, microscopes électroniques, accélérateurs, tubes à rayons X.
- Réduction oxydation/contamination : Essentiel pour le dépôt de couches minces, soudage (faisceau d'électrons, laser), traitement des semiconducteurs.
Composition des gaz résiduels
Dans un système UHV bien pompé, le gaz résiduel est dominé par l'hydrogène (H₂) (diffusion hors des parois en acier inoxydable) et le monoxyde de carbone (CO). Les gaz nobles et le méthane sont mineurs. La vapeur d'eau est le principal contaminant en HV, se désorbant lentement des surfaces de la chambre.