真空的含義及特點(diǎn)
在真空科學(xué)中，真空的含義是指在給定的空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)。人們通常把這種稀薄的氣體狀態(tài)稱為真空狀況。這種特定的真空狀態(tài)與人類賴以生存的大氣在狀態(tài)相比較，主要有如下幾個(gè)基本特點(diǎn)：
( 1 )真空狀態(tài)下的氣體壓力低于一個(gè)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(qiáng)差的大小由容器內(nèi)外的壓差值而定。由于作用在地球表面上的一個(gè)大氣壓約為 10135N/m2，因此當(dāng)容器內(nèi)壓力很小時(shí)，則容器所承受的大氣壓力可達(dá)到一個(gè)大氣壓。不同壓強(qiáng)下單位面積上的作用力，如表 1 所示。
( 2 )真空狀態(tài)下由于氣體稀薄，單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)，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(zhì)點(diǎn)(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(shù)相對(duì)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(guān)系。
表 1 不同壓力下單位面積上的作用力
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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(guān)系
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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(tài)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(duì)減少。表 3 給出了標(biāo)準(zhǔn)大氣的成份。
表 1 標(biāo)準(zhǔn)大氣的成分
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成分 |
分子量 |
容積百分比 |
重量百分比 |
分壓強(qiáng)（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* |
|
|
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* |
* 表示隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化的值
真空的這些特點(diǎn)、已被人們在豐富的生產(chǎn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)中加以利用，這一點(diǎn)我們將在下節(jié)中詳述。
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