真空的含義及特點

2020-04-18 真空技術網網絡

　　在真空科學中，真空的含義是指在給定的空間內低于一個大氣壓力的氣體狀態。人們通常把這種稀薄的氣體狀態稱為真空狀況。這種特定的真空狀態與人類賴以生存的大氣在狀態相比較，主要有如下幾個基本特點：

　　( 1 )真空狀態下的氣體壓力低于一個大氣壓，因此，處于地球表面上的各種真空容器中，必將受到大氣壓力的作用，其壓強差的大小由容器內外的壓差值而定。由于作用在地球表面上的一個大氣壓約為 10135N/m2，因此當容器內壓力很小時，則容器所承受的大氣壓力可達到一個大氣壓。不同壓強下單位面積上的作用力，如表 1 所示。

　　( 2 )真空狀態下由于氣體稀薄，單位體積內的氣體分子數，即氣體的分子密度小于大氣壓力的氣體分子密度。因此，分子之間、分子與其他質點(如電子、離子等)之間以及分子與各種表面(如器壁)之間相互碰撞次數相對減少，使氣體的分子自由程增大。表 2 給出了常溫下大氣分子平均自由程與大氣壓力的關系。

表 1 不同壓力下單位面積上的作用力

壓力 (Pa)	作用力 (kg/cm² )	壓力 (Pa)	作用力 (kg/cm² )
10⁵	1．03328	5 × 10³	6.79755 × 10^-2
5 × 10⁴	6.79755 × 10^-1	1 × 10³	1.35951 × 10^-2
3 × 10⁴	4.07853 × 10^-1	5 × 10²	6.79755 × 10^-3
1 × 10⁴	1.35951 × 10^-1	1 × 10²	1.35951 × 10^-3

表 2 常溫下大氣分子平均自由程與大氣壓力的關系

大氣壓力 (Pa)	平均自由程 (cm)	大氣壓力 (Pa)	平均自由程 (cm)
10⁵	6.5 × 10^-6	1 × 10^-3	5 × 10²
10³	5 × 10^-4	1 × 10^-6	5 × 10^-5
10²	5 × 10^-3	1 × 10^-9	5 × 10⁸
1 × 10^-1	5 × 10⁰	1 × 10^-4	5 × 10¹³

　　(3) 真空狀態下由于分子密度的減小，因此做為組成大氣組分的氧、氫等氣體含量 ( 也包括水分的含量 ) 也將相對減少。表 3 給出了標準大氣的成份。

表 1 標準大氣的成分

成分	分子量	容積百分比	重量百分比	分壓強（托）
N₂（氮）	28.0134	7.084	75.520	593.44
O₂（氧）	31.9988	20.948	23.142	159.20
Ar （氬）	39.984	0.934	1.288	7.10
CO₂（二氧化碳）	44.00995	3.14 × 10^-2	4.8 × 10^-2	2.4 × 10 ^-1*
Ne （氖）	20.183	1.82 × 10^-3	1.3 × 10^-3	1.4 × 10^-2
He （氦）	4.0026	5.24 × 10^-4	6.9 × 10^-9	4.0 × 10^-3
Kr （氪）	83.80	1.14 × 10^-4	3.3 × 10^-4	8.7 × 10^-4
Xe （氙）	131.30	8.7 × 10^-6	3.9 × 10^-3	6.6 × 10^-5
H₂（氫）	2.01594	5 × 10^-5	3.5 × 10^-6	4 × 10^-4
CH₄（甲烷）	16.04303	2 × 10^-4	1 × 10^-4	1.5 × 10^-3
N₂O （氧化二氮）	44.0128	5 × 10^-5	8 × 10^-4	4 × 10^-3
O₃ （臭氧）	47.9982	夏： 0~7 × 10^-6	0~1 × 10^-5	0~5 × 10^-5*
O₃ （臭氧）		冬： 0~2 × 10^-6	0~0.3 × 10^-5	0~1.5 × 10^-5*
SO₂ （二氧化硫）	64.0628	0~1 × 10^-4	0~2 × 10^-4	0~8 × 10^-4*
NO₂ （二氧化氮）	46.055	0~2 × 10^-6	0~3 × 10^-6	90~1.5 × 10^-5*
NH₃ （氨）	17.03061	0~ 痕跡量	0~ 痕跡量	0~ 痕跡量
CO （一氧化碳）	28.01055	0~ 痕跡量	0~ 痕跡量	0~ 痕跡量
I₂（碘）	253.8088	0~1 × 10^-6	0~9 × 10^-5	0~8 × 10^6