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走进真空的世界

 

    真空是什么?大多数人可能认为:真空就是真的空了,就是什么也不存在的空间。实际上,即便是目前所能获得的最高真空度(~ 10-11 Pa),每立方厘米中依然残留着大约3000个气体分子(计算条件:温度假定为25,真空度假定为1×10-11 Pa),因此,这个说法是存在明显漏洞的。真的空了的状态称为绝对真空,一般用于理论研究,实际意义不大。

另一种关于真空的说法认为:只要使用者的研究可以基本不受空间气体的影响,就可以认为是真空了。这种说法在实际应用中会遇到很大的困难。试想,对于家用的吸尘器而言,只要有略低于大气压的真空就可以了;对于食品冷冻和干燥,可以把102 Pa左右的空间看作是真空;而对于从事表面研究的科研工作者而言,10-6 Pa才称得上是真空。这样一来,究竟该从哪种压强来说真空就变得十分困难。因此,真空泛指低于一个大气压的气体状态这一说法尽管略显粗糙,但是更为科学。

在真空技术中,真空度的高低可以用多个参量来度量,最常用的有真空度压强。此外,也可以用气体分子密度等专业术语来表示。那么怎么判断真空到底达到了什么程度呢?

回答这个问题,首先要从我们日常生活的标准大气压说起。1643620日,意大利科学家托里拆利进行了一个开创性实验(如图1所示)。实验过程主要分为以下5步:

1)一只手握住玻璃管中部,在管内灌满水银,排出空气,用另一只手指紧紧堵住玻璃管开口端。

2)把玻璃管小心地倒插在盛有水银的槽里,待开口端全部浸入水银槽内时放开手指,将管子竖直固定,管内水银液面逐渐下降。

3)当管内水银液面停止下降时,读出此时水银液柱与水槽中水平液面的竖直高度差,约为760mm

4)逐渐倾斜玻璃管,发现管内水银柱的竖直高度不变。此时管外液面上受到的大气压强,正是大气压强支持着管内760mm高的汞柱,也就是大气压跟760mm高的汞柱产生的压强相等。
5)用内径不同的玻璃管和长短不同的玻璃管重做这个实验,可以发现水银柱的竖直高度不变。说明大气压强与玻璃管的粗细、长短无关。

1 托里拆利实验(图片来源:https://www.pep.com.cn

    所以,图1所示中灌满水银的玻璃管倒立而形成的真空一般称为托里拆利真空。因为托里拆利认为,玻璃管中的水银柱下降,原先在玻璃管顶端的水银现在没有了,又无空气渗入,因此这部分空间什么也不存在,即为零压强(实际上,这部分空间还存在着一些水银蒸气压,忽略其影响才能将压强当成零)。此时,水银柱的高度约为760 mm,所以可以用760 mm汞柱,即水银柱的高度来表示1个大气压的压强。由此而来的“mmHg(毫米汞柱)就成为了人类使用最早、最广泛的压强单位,就是通过直接度量的汞柱高度来表征真空度的高低。

在实际工程技术或国内外文献中,目前标准大气压定义为:在0 ,水银密度ρ = 13.59509 g/cm3,重力加速度g = 9.80665 m/s2760 mm水银柱所产生的压强为1个标准大气压,用atm表示。

 

        现在,在标准大气压相当于760 mmHg 的前提下,我们再来思考一下,怎么判断达到了真空呢?没错,按照真空泛指低于一个大气压的气体状态的说法,只要环境中同样的条件达到的汞柱高度低于760 mm,就可以认为达到广义的真空了。当然,现实生活中,不可能每次都在特定的环境下做一次托里拆利实验,同时水银柱高度也很难显示出0.001 mm这种微小尺寸的变化。由此人们发明了一系列真空测量仪器,大致分为两类。一是绝对真空规,利用仪器本身测得的物理量直接换算出气压的大小;二是相对真空规,先测量随压强而变化的参量,例如气体的热传导、粘滞性、密度或电离能等,再换算成压强。

    随着真空度的提高,真空的性质逐渐发生变化,经历着气体分子数的量变到真空质变的若干过程,构成了真空的不同区域。为了便于讨论和实际应用,常把真空划分为低真空、中真空、高真空、超高真空等五个区域(如表1所示)。

1 真空区域的划分

 

低真空

中真空

高真空

超高真空

极高真空

压力范围/Pa

105~102

102~10-1

10-1~10-5

10-5~10-9

<10-9

气体分子密度

/(/cm3)

1019~1016

1016~1013

1013~109

109~105

<105


    在低真空区域,气流为粘滞流,以气体分子间的碰撞为主。主要的应用实例是利用宏观压力差制成的吸尘器(图2)、利用减小空气粘滞阻力的特性制成的液体输运及过滤装置和塑料挤压脱气装置。

 

 2 吸尘器(图片来源:https://m.tb.cn

 对于中真空区域,其作为低真空到高真空的过渡区域。主要的应用特性是真空干燥,其应用实例为食品冷冻干燥(图3)、熔炼金属脱气和金属熔化铸造等。

3 真空包装的红枣(图片来源:https://www.1688.com
  在高真空区域,气流为分子流,其特点是以气体分子与器壁的碰撞为主,此时已经不能按连续流体对待。主要的应用实例是拉制单晶(图4)、白炽灯制造、表面镀膜和电子管生产等。

4 单晶硅棒(图片来源:http://www.qbdzkj.com

    在超高真空区域,分子间的碰撞极少。此时,气体分子由原先的空间飞行为主变成以吸附停留为主,所以务必要注意减少残留气体的混入,以防止残留气体分子在表面的吸附停留。主要的应用实例为薄膜沉积、表面分析、粒子加速器(图5)和低温制冷等。


5 粒子加速器(图片来源:https://baike.sogou.com

     在极高真空区域,气体分子与器壁表面的碰撞频率非常低,此时的应用领域主要是纳米技术(图6)和空间模拟(图7)等。

6 纳米技术中的分子结构概念图(图片来源:https://www.quanjing.com

 

 7 空间环境模拟试验系统(图片来源:https://www.sohu.com

    真空是什么?随着真空技术的发展,人们不再将真空束缚于虚空的哲学思辨之中,而是将其作为一种物理现象来看待。从古希腊德谟克利特的原子论,提出原子之外就是虚空世界;到1641年的托里拆利实验,测定标准大气压约为760mm汞柱;再到爱因斯坦的场论,提出真空是引力场的某种特殊状态;再往后,狄拉克提出真空是充满负能态的电子海……虽然很难说现今的人们对真空的认识一定是完全正确的,但科学的发展总是让我们对真空的认知越来越丰富。与此同时,真空技术也逐渐扩大到工业生产和科学研究的各个方面,极大地改变了人们的生活。

 

 

参考文献:

[1] 田民波. 薄膜技术与薄膜材料[M]. 清华大学出版社,2006.

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