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什么?原来真空不“真空”

本站 2017-06-07 14:39:28


什么是真空

      真空是一种不存在任何物质的空间状态,是一种物理现象。事实上,在真空技术里,真空系针对大气而言,一特定空间内部之部份物质被排出,使其压强小于一个标准大气压,则我们通称此空间为真空或真空状态。

      按其词源原本是指虚空,即一无所有的空间。工业和真空科学上的真空指的是,当容器中的压力低于大气压力时,把低于大气压力的部分叫做真空,而容器内的压力叫绝对压力;另一种说法是,凡压力比大气压力低的容器里的空间都称做真空。工业真空有程度上的区别:当容器内没有压力即绝对压力等于零时,叫做完全真空;其余叫做不完全真空。而狭义相对论等狄拉克之前的物理理论中的真空则特指不存在任何物质的空间状态,对应于工业里的完全真空。按现代物理量子场论的观点,真空不空,其中包含着极为丰富的物理内容。狭义相对论等理论中的真空只是普朗克常数趋于0时的近似情形。


      在真空科学中,真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况。这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气在状态相比较,主要有如下几个基本特点:

      (1)真空状态下的气体压力低于一个大气压,因此,处于地球表面上的各种真空容器中,必将受到大气压力的作用,其压强差的大小由容器内外的压差值而定。由于作用在地球表面上的一个大气压约为10135N/m2,因此当容器内压力很小时,则容器所承受的大气压力可达到一个大气压。

      (2)真空状态下由于气体稀薄,单位体积内的气体分子数,即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度。因此,分子之间、分子与其他质点(如电子、离子等)之间以及分子与各种表面(如器壁)之间相互碰撞次数相对减少,使气体的分子自由程增大。


物理真空

      本指没有任何实物粒子存在的空间,但什么都没有的空间是不存在的。而假设你把一个空间的气体都赶跑,会发现还是不时有基本粒子在真空中出现又消失,无中生有。物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰,能量转化为一对对正反基本粒子,当能量达到波谷,一对对正反基本粒子又相互湮灭,转化为能量。


工业真空

      工业上的真空指的是气压比一标准大气压小的气体空间,是指稀薄的气体状态,又可分为高真空、中真空和低真空,地球以及星球中间的广大太空就是真空。一般是用特制的抽气机得到真空的。它的气体稀薄程度用真空计测定,现在已能用分子抽气机和扩散抽气机得到1/1011大气压的高真空。真空在科学技术,电真空仪器,电子管和其他电子仪器方面,都有很大用途。


      绝对的真空是不存在的,宇宙不是真空的,有很微薄的气体,压力也很小,跟地球上的空气比起来,宇宙接近真空。但是宇宙空间里有许多氢离子,水分子,固体尘埃等等。宇宙空间中的气体密度大约是地球上空气密度的1/1000,人体如果不穿宇航服暴露在宇宙中就会因为体内压力远大于宇宙气体的压力而爆炸。


      理论上的真空是没有任何物质的。但是做到这一点是不可能的,无论是从哲学上还是从物理学上都可以说明不存在真正的真空。就跟物理学上的其他两大不可能一样,物体的温度不可能达到绝对零度,如果达到这个温度一切分子原子都将停止运动。物体的速度不能超过光速。如果超过光速,根据相对论,物体的质量接近无限,那么物体的能量是无限的,而整个宇宙的能量是有限的,因此超越光速是不可能的。真空也是,假如将一个铁制容器内的所有气体全部抽光,即使没有一个气体分子,容器内也有蒸发的铁原子(即使数量非常少),就算铁原子也不蒸发,那么铁具有温度(不可能到绝对零度),就会辐射出红外线,那么容易内没有气体分子,没有铁原子,也有光子。所以真正的真空是不可能达到的。


      从高真空及超高真空的角度来看,真空系统内的残余气体是一个必须引起注意的问题,残余气体往往造成真空系统内部的表面污染,从而达不到真空工艺所要求的结果(例如,不能获得所需要沉积的薄膜或者是使放电及等离子的状况发生变化)的重要原因。另外,对超高真空系统来说,残余气体的成分对系统的极限压力往往产生重要影响,如果抽气系统或抽气的工艺文汇选择不当,残余气体是影响其工作性能及寿命的重要因素。在实际工作中,不但要降低电真空器件中残余气体的量(真空度),更要注意控制残余气体的质(气体成分)。因为电真空器件中残余的O2、CO2、CO、H2O及碳氢化合物等有害气体,会引起电真空器件的阴极“中毒”、高压放电击穿等有害现象。残余气体Ar可能会使电真空器件内产生离子轰击现象,从而损坏器件的阴极或其他部件。残余气体的量多还会引起电子管的噪声增高。

      真空系统中的残余气体成分是与真空系统的作业各类及工艺(如镀膜、金属熔炼等)和所用的抽气系统的类型有关,大致可分为以下几种情况:

      在低真空下使用的真空装置中,残余气体主要为空气(O2N2……);

      在只用油封机械泵连续进行长时间抽气的真空装置中,当无泄漏时,残余气体中有:有机物及水蒸气

      在用油扩散泵抽气的高真空装置中,残余气体中主要有:有机物和水蒸气。

      使用溅射离子泵抽气系统,但不对真空系统进行特别的烘烤脱气处理时,则残余气体中水蒸气最多,另外还有H2,CH4,CO(或N2)、CO2等。

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