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走進真空的世界

 

真空是什么?大多數人可能認為:真空就是真的空了,就是什么也不存在的空間。實際上,即便是目前所能獲得的最高真空度(~ 10-11 Pa),每立方厘米中依然殘留著大約3000個氣體分子(計算條件:溫度假定為25,真空度假定為1×10-11 Pa),因此,這個說法是存在明顯漏洞的。真的空了的狀態稱為絕對真空,一般用于理論研究,實際意義不大。

另一種關于真空的說法認為:只要使用者的研究可以基本不受空間氣體的影響,就可以認為是真空了。這種說法在實際應用中會遇到很大的困難。試想,對于家用的吸塵器而言,只要有略低于大氣壓的真空就可以了;對于食品冷凍和干燥,可以把102 Pa左右的空間看作是真空;而對于從事表面研究的科研工作者而言,10-6 Pa才稱得上是真空。這樣一來,究竟該從哪種壓強來說真空就變得十分困難。因此,真空泛指低于一個大氣壓的氣體狀態這一說法盡管略顯粗糙,但是更為科學。

在真空技術中,真空度的高低可以用多個參量來度量,最常用的有真空度壓強。此外,也可以用氣體分子密度等專業術語來表示。那么怎么判斷真空到底達到了什么程度呢?

回答這個問題,首先要從我們日常生活的標準大氣壓說起。1643620日,意大利科學家托里拆利進行了一個開創性實驗(如圖1所示)。實驗過程主要分為以下5步:

1)一只手握住玻璃管中部,在管內灌滿水銀,排出空氣,用另一只手指緊緊堵住玻璃管開口端。

2)把玻璃管小心地倒插在盛有水銀的槽里,待開口端全部浸入水銀槽內時放開手指,將管子豎直固定,管內水銀液面逐漸下降。

3)當管內水銀液面停止下降時,讀出此時水銀液柱與水槽中水平液面的豎直高度差,約為760mm。

4)逐漸傾斜玻璃管,發現管內水銀柱的豎直高度不變。此時管外液面上受到的大氣壓強,正是大氣壓強支持著管內760mm高的汞柱,也就是大氣壓跟760mm高的汞柱產生的壓強相等。
5)用內徑不同的玻璃管和長短不同的玻璃管重做這個實驗,可以發現水銀柱的豎直高度不變。說明大氣壓強與玻璃管的粗細、長短無關。

1 托里拆利實驗(圖片來源:https://www.pep.com.cn

所以,圖1所示中灌滿水銀的玻璃管倒立而形成的真空一般稱為托里拆利真空。因為托里拆利認為,玻璃管中的水銀柱下降,原先在玻璃管頂端的水銀現在沒有了,又無空氣滲入,因此這部分空間什么也不存在,即為零壓強(實際上,這部分空間還存在著一些水銀蒸氣壓,忽略其影響才能將壓強當成零)。此時,水銀柱的高度約為760 mm,所以可以用760 mm汞柱,即水銀柱的高度來表示1個大氣壓的壓強。由此而來的“mmHg(毫米汞柱)就成為了人類使用最早、最廣泛的壓強單位,就是通過直接度量的汞柱高度來表征真空度的高低。

在實際工程技術或國內外文獻中,目前標準大氣壓定義為:在0 ,水銀密度ρ = 13.59509 g/cm3,重力加速度g = 9.80665 m/s2,760 mm水銀柱所產生的壓強為1個標準大氣壓,用atm表示。

現在,在標準大氣壓相當于760 mmHg 的前提下,我們再來思考一下,怎么判斷達到了真空呢?沒錯,按照真空泛指低于一個大氣壓的氣體狀態的說法,只要環境中同樣的條件達到的汞柱高度低于760 mm,就可以認為達到廣義的真空了。當然,現實生活中,不可能每次都在特定的環境下做一次托里拆利實驗,同時水銀柱高度也很難顯示出0.001 mm這種微小尺寸的變化。由此人們發明了一系列真空測量儀器,大致分為兩類。一是絕對真空規,利用儀器本身測得的物理量直接換算出氣壓的大??;二是相對真空規,先測量隨壓強而變化的參量,例如氣體的熱傳導、粘滯性、密度或電離能等,再換算成壓強。

隨著真空度的提高,真空的性質逐漸發生變化,經歷著氣體分子數的量變到真空質變的若干過程,構成了真空的不同區域。為了便于討論和實際應用,常把真空劃分為低真空、中真空、高真空、超高真空等五個區域在低真空區域,氣流為粘滯流,以氣體分子間的碰撞為主。主要的應用實例是利用宏觀壓力差制成的吸塵器(圖2)、利用減小空氣粘滯阻力的特性制成的液體輸運及過濾裝置和塑料擠壓脫氣裝置。

 

 2 吸塵器(圖片來源:https://m.tb.cn

對于中真空區域,其作為低真空到高真空的過渡區域。主要的應用特性是真空干燥,其應用實例為食品冷凍干燥(圖3)、熔煉金屬脫氣和金屬熔化鑄造等。

3 真空包裝的紅棗(圖片來源:https://www.1688.com

在高真空區域,氣流為分子流,其特點是以氣體分子與器壁的碰撞為主,此時已經不能按連續流體對待。主要的應用實例是拉制單晶(圖4)、白熾燈制造、表面鍍膜和電子管生產等。

4 單晶硅棒(圖片來源:http://www.qbdzkj.com

在超高真空區域,分子間的碰撞極少。此時,氣體分子由原先的空間飛行為主變成以吸附停留為主,所以務必要注意減少殘留氣體的混入,以防止殘留氣體分子在表面的吸附停留。主要的應用實例為薄膜沉積、表面分析、粒子加速器(圖5)和低溫制冷等。

5 粒子加速器(圖片來源:https://baike.sogou.com

在極高真空區域,氣體分子與器壁表面的碰撞頻率非常低,此時的應用領域主要是納米技術(圖6)和空間模擬(圖7)等。

6 納米技術中的分子結構概念圖(圖片來源:https://www.quanjing.com

 

 7 空間環境模擬試驗系統(圖片來源:https://www.sohu.com

真空是什么?隨著真空技術的發展,人們不再將真空束縛于虛空的哲學思辨之中,而是將其作為一種物理現象來看待。從古希臘德謨克利特的原子論,提出原子之外就是虛空世界;到1641年的托里拆利實驗,測定標準大氣壓約為760mm汞柱;再到愛因斯坦的場論,提出真空是引力場的某種特殊狀態;再往后,狄拉克提出真空是充滿負能態的電子海……雖然很難說現今的人們對真空的認識一定是完全正確的,但科學的發展總是讓我們對真空的認知越來越豐富。與此同時,真空技術也逐漸擴大到工業生產和科學研究的各個方面,極大地改變了人們的生活。

 

 

參考文獻:

[1] 田民波. 薄膜技術與薄膜材料[M]. 清華大學出版社,2006.

[2] John H.M, Christopher C. D, Michael A. C et al. Building Scientific Apparatus [M]. New York: Cambridge University Press, 2009.

 

 

 

 

 

 

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