真空で金属固体が蒸発するとはどういうことですか？

質問

エジソンの電球のエピソードで、タングステンがフィラメントに最適だという説明を読んでいます。空気中ではタングステンは電気を通すと酸化して燃え尽きてしまうので、真空にしてみました。すると、真空では「さすがのタングステンも蒸発してしまう」ので、アルゴンや窒素といったガスを詰めるようになったそうです。

真空でタングステンが蒸発するのはどうしてなのでしょうか？真空は圧力が低いのでむしろ温度が低くなるのではないでしょうか？

回答No.3

endlessriver · ベストアンサー

電球のタングステンの蒸発で問題になったのは次のような話だったと記憶しています。

フイラメントの熱でガラスやステム（フイラメント支持体）に含まれているガス（酸素など）が放出され、これが高温のタングステンと反応して酸化物などを生成し、蒸発して温度の低いガラスに付着する。そしてついにガラスの透明度が悪くなって使用不可になる。

ＧＥのラングミュアが少しの窒素を封じて酸素分圧を低くして寿命を延ばすことができた。この特許でＧＥは大儲けした。
ラングミュアは真空管や半導体の表面科学の理論・実用研究をたくさん行いノーベル賞ももらった万能の天才です。

回答No.6

aroi-aroi

どんな物質も、温度によって固体・液体・気体の三態の間を変化します。その境界となる温度が融点・沸点です。
融点・沸点は常に一定な訳ではなく、変化します。
物質の周囲の圧力（空気中なら気圧）に影響されます。
気圧が高いほど、融点・沸点は高くなり、
気圧が低いほど、融点・沸点は低くなります。
真空となると、通常の１気圧のときと比べて、
融点・沸点はかなり低くなると思います。
ですから「さすがのタングステンも蒸発してしまう」
のです。

回答No.5

noname#104477

調べた訳では有りませんが次のような原理では有りませんか、つまり。

タングステンに電流を流し高温にすると原子が激しく熱運動をする訳ですがその運動エネルギーが原子同士を結び付けている電磁力に打ち勝って飛び出る、と。勿論個々の原子の熱運動量は一様ではないし、表面の原子しか飛び出せませんが。

ところが不活性ガスがあればタングステン原子は大部分ガスの分子に抑えられ飛び出していけない。と言う理由ではないのかな？

つまり熱エネルギーが電磁力に勝った結果蒸発すると。
又アルゴンなどの分子が飛び出そうとするタングステン原子を抑える、と。

回答No.4

endlessriver

＃３です。
蒸発のモデルが多少異なっていたようです。下記のサイトで。
水がフィラメント上で水素と酸素に分解し、酸素で酸化し、蒸発した酸化物がガラスに吸着。先に分解された水素でガラス上の酸化物が還元され、また水が生成される。

参考URL：

http://www.ss.teen.setsunan.ac.jp/cycle.html

回答No.2

hiranari

＜真空でタングステンが蒸発するのはどうしてなのでしょうか？＞
最初に金属も真空下で高温に加熱していくと蒸発する性質があります（金、銀、アルミニウムなどの真空蒸着技術が有名です）。
さて、エジソンの電球は金属に電流を流すとジュール熱で高温になり輝く原理。輝く時の温度は２，２００から２，７００度ととても高温なので通常の金属は溶けて耐えれません。そこで高融点（約３，４００度）のタングステンがフィラメントとして使用されてきた理由です。このような条件では、タングステンは溶けないが、少しづつ昇華（揮発）してカラス球の内側に黒く析出して明るさを下げ、フィラメントが細く痩せ、ついには切れて寿命が尽きることになります（真空下）。ここにアルゴンや窒素といったガスを詰めるとその昇華が若干抑えらることができた実験事実から実用化されたものです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%99%BD%E7%86%B1%E9%9B%BB%E7%90%83　と参考ＵＲＬも参照ください。
　最近では、ハロゲンを少し添加することで昇華タングステンをフィラメントへ再生する技術が開発されています（ハロゲンランプ）。
＜真空は圧力が低いのでむしろ温度が低くなるのではないでしょうか？＞
電球に電気を流すとジュール熱で発熱し放熱とバランスして２，２００から２，７００度になり、光り輝いています。このような高温下でのタングステンは、表面原子のほんの一部の原子が昇華するだけであり、しかも水の蒸発熱（水素結合を切るため大）と比べれば昇華熱は僅かだと思います。従ってタングステンの昇華による温度低下は無視できると思います。

参考URL：

http://www.arc-system.co.jp/topics2.html

回答No.1

ssk0723

富士山の頂上は気圧が低いので水は70度くらいで沸騰するらしいですね。

これと同じ原理ではないでしょうか？タングステンが昇華しているのだと思います。
この特性を使って蒸着という作業をしてます。