真空物理

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更新時間: 2013-09-19

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真空物理是物理學的一個分支,研究真空技術的物理基礎,主要內容包括氣體分子運動論、氣固界面物理、氣體放電等。

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1 真空物理 -真空物理

 

2 真空物理 -正文

  真空是指低於大氣壓強的氣體狀態。真空可用各種物理、化學和機械方法獲得。真空獲得與測量是真空技術的主要內容。真空物理研究真空技術的物理基礎,主要內容包括氣體分子運動論、氣固界面物理、氣體放電等。
  氣體分子運動論  在真空技術中涉及的氣體分子運動理論主要包括下面內容。
  氣體分子模型和氣體分子間的相互作用力  氣體分子由原子構成。分子雖然是中性的,但由於分子內電子的排布形成電偶極子,分子之間的作用力就是電偶極子之間的作用力,稱為范德瓦力。這種力的作用距離較短,因此可以認為分子處於自由運動狀態,只是在碰撞接觸的瞬間彼此才發生相互作用,改變各自的運動方向和速度。這就是氣體分子運動論常採用的彈性剛球模型。利用這種簡單模型可以得到有關分子運動的一些規律,但它只能反映平動能的交換,不能表達分子轉動能與振動能的交換。
  麥克斯韋速率分佈律  分子間通過碰撞交換平動能,在大量碰撞情況下,分子速度的各種變化在統計上可以互相抵消,因而出現一個穩定的狀態,即呈現穩定的速度分佈。若以v表示速率,氣體分子的速率分佈為

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上式稱為麥克斯韋速率分佈,它表示在所討論空間的n個分子中速率在vvdv區間的分子數,mT分別是氣體分子的質量和溫度,k是玻耳茲曼常數。圖1為麥克斯韋速率分佈曲線。最可幾速率,相當於分子數最多的速率。真空物理是平均速率,而真空物理是均方根速率。麥克斯韋速率分佈律說明氣體分子的熱運動速率的分佈。
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  在空間坐標的三個方向上氣體分子平動能平均值各為真空物理,總的平動能的平均值為真空物理
  碰撞頻率與自由程  氣體分子在空間運動時會與其他氣體分子發生碰撞。如採用彈性剛球模型表示,則直徑為σ、速度為v的分子穿過空間密度為n的同類靜止分子所處的空間時,每秒將要發生真空物理次碰撞,v稱為碰撞頻率,在真實氣體中分子具有各種速度,所有分子的平均碰撞頻率真空物理,兩次碰撞間走過的平均距離為

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憳稱為麥氏平均自由程。分子數按自由程長度分佈的規律為

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n0個分子中自由程等於和大於r的數目為n個。
  碰壁數  氣體分子除了在空間相互碰撞外,還與器壁碰撞。在氣體的空間密度和溫度均勻的條件下每秒打 在單位面積上的分子數為真空物理,稱為碰壁數。真空物理個碰壁分子在空間佔有的體積為真空物理。例如一個大氣壓下的氮氣在15真空物理下碰壁數為3.13×1023/秒·厘米2,相當於半個克分子的氣體量。相應的氣體體積數為11.66升/秒·厘米2。對於入口面積為A的真空泵,每秒排走的氣體體積數不可能超過真空物理A,因此在真空泵的設計中,真空物理又稱為理想抽速值。即室溫下真空泵的每一平方厘米入口面積對氮氣抽速不可能超過11.66升/秒。
  餘弦定律與蒸發和凝結  碰壁分子來自空間各個方向,沿表面法線方向入射的數量密度最大,平行於表面的為零。來自空間任一方向的氣體分子數與這一方向餘弦成正比,即

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式中真空物理是碰壁分子數,dΩ是沿著分子入射方向的立體角元,θ是入射方向與表面法線的夾角,dNθ是從dΩ立體角元入射打到單位面積上的分子數(圖2)。
這個關係稱為餘弦定律。它是空間中無規則運動的粒子碰壁時遵守的規律。
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  根據平衡的觀點,氣體分子自表面反射或凝聚相分子蒸發時出射質點的數量沿空間的角分佈也遵守餘弦定律。如果在一個真空容器中盛有一些凝聚物質,則時刻都有物質蒸發並在空間中形成蒸氣壓,這些氣化物質中的一部分因碰壁而重新凝聚。當蒸發率與凝聚率相等時,空間將建立一個穩定的蒸氣壓強,稱為飽和蒸氣壓強。如果用一台真空泵將蒸氣分子抽走,則空間中的蒸氣壓強將低於飽和蒸氣壓,但蒸發率不變,僅依賴於凝聚物質的性質和溫度。
  氣體壓強  氣體分子打在器壁上施加的作用力稱為壓力,單位面積上承受的壓力強度稱為壓強。壓強單位為達因/平方厘米或牛頓/平方米,後者簡稱為帕。在高溫和低壓的理想條件下,壓強關係式為

PnkT          (5)

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  將n=N/V的關係代入5)式(N是體積V中的分子數)可以得到

PVNkT          (6)

這是N個分子在溫度為T(K)的容器V中所建立的壓強的關係。根據(6)式,人們採用體積膨脹降壓法以校準真空計,也可以利用(6)式來計算氣體量QPV與分子數的關係。
  氣體的輸運過程  氣體的輸運過程包括熱傳導和擴散等過程。
  粘滯性  當氣體流動時,在流得快和流得慢的氣體間的界面上就會出現一種粘滯力。它的作用是帶動流動慢的氣體前進,而它的反作用力是對流動快的氣體起阻滯作用。圖3表示一個氣流,流動方向取為y軸,沿著x方向有速度變化,即v0(x),實驗證明在任取的一個x0界面上有一個平行於y軸的作用力,它的強度與速度的陡度成正比。
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η稱為粘滯係數,單位為帕;Py(x)的單位是達因/厘米2。(7)式稱為牛頓粘滯定律。粘滯係數有如下表達式:

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式中ρ是氣體的質量密度。由於ρnm,並且真空物理,因而在高壓強範圍內η是一個常數。但當憳與容器尺寸d可相比擬時,令憳=d,則η真空物理n,η將隨壓強作線性變化,利用這個現象可製成粘滯真空計以測量低壓強值。
  熱傳導  如果氣體中各處的溫度不同,則熱量將從高溫區傳導至低溫區。假設溫度只沿x方向變化,在x=x0平面上溫度是均勻的,則單位時間通過單位面積傳導的熱量q與溫度梯度成正比。

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k叫做導熱係數,由氣體分子運動論可導出

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式中cV是氣體的定容比熱容。在真空物理遠小於容器尺寸的情況下,k不隨壓強而變化,只是真空物理時,k才隨壓強的降低而變小。人們利用氣體熱傳導係數的這一性質設計出熱傳導真空計,用以測量大於10-2~10-3帕的壓強。
  擴散  空間中的某一種氣體的濃度不均勻便會從濃度高處流向濃度低處,形成質量的遷移,這種現象稱為擴散。
  粘滯性的本質是動量遷移,熱傳導的本質是能量傳輸,而擴散的本質是質量遷移。這三種過程統稱為氣體中的輸運過程。它們雖然是非平衡態的現象,然而宏觀上往往在上述各物理量的遷移方向上並未表現出氣體分子的宏觀流動現象。
  氣體的流動  當容器中的兩部分氣體存在壓強差時,就將產生宏觀的流動過程。在高壓強下真空物理分子的碰撞頻繁,動量、能量的交換主要發生在鄰近的分子間。氣體在一根長直圓管中流動時,貼著管壁的氣體分子速度近似為零(氣體分子碰壁后失去它們的宏觀流動速度),而沿著管軸上的流動最快。沿著管徑流速按拋物線變化(圖4),氣流好像一層一層的圓柱面套起來似的,在層與層的界面上存在著粘滯力(因有速度陡度),好像內層的氣體帶動外層的氣體流動。
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  在低壓強下,因為憳大於管道直徑,分子在管道內運動,中間路程上基本不與其他分子碰撞,分子的流動好像是碰壁前進,稱為分子流。統觀起來,分子從密度高的地方流向低的地方,故又稱為擴散流。
  氣體分子與固體表面的相互作用  真空電子技術中涉及的氣體分子與固體表面相互作用主要有吸附、脫附、低溫冷凝、氣體的擴散逸出等。
  化學吸附與物理吸附  固體內的原子周期性地排列,在每一個原子的周圍都有固定數目的原子互相鍵合。但是,在固體表面,法線方向的周期性被破壞,表面外沒有固體原子,因而表面原子有未飽和的剩餘價鍵,它的作用範圍很近,只有幾埃。氣體分子入射時,受表面鍵作用而停留在表面上的現象,稱為吸附。吸附分子有規則地排列在表面勢能低的穩定點上。而且分子往往優先停留在某些吸附位上,當覆蓋度大時再停留在另一些位置上。
  物理吸附和化學吸附勢能曲線見圖5。M A2是物理吸附的曲線。由原子 A組成的雙原子分子接近金屬表面時,如距離大於 Zp,受到的是范德瓦吸引力。當距離小於Zp而接近金屬表面時,分子殼層電子受金屬電子的作用重新排布,表現出很強的拒斥力。因此分子多數停留在Zp附近,圍繞Zp振動並放出熱量qpqp稱為物理吸附熱。
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  M 2A曲線是兩個原子接近金屬表面時的勢能變化曲線。設想分子A2在空間獲得解離能量E*而分解成雙原子,因此在空間中就有較高的勢能。當其接近表面時停留的平衡位置是Zc點。qc稱為化學吸附熱。M A2與M+2A曲線的交點對應的勢能Ea稱作化學吸附激活能,它的數值介於E*與零之間。
  實際的氣體化學吸附過程首先沿著 M A2曲線進行。如果分子能量真空物理,則分子A2可以到達Za點並受到表面的作用而解離成兩個A原子,再沿M 2A曲線而停留在Zc點放出qcE的能量,這個過程叫做激活化學吸附。如果Ea≈0,則任何一個分子都可以越過Za點而產生化學吸附,這個過程叫做非激活化學吸附。欲使分子脫附離開表面,需要有真空物理的能量,Ed叫做化學脫附能。化學吸附熱qc通常比較大,因此大多數的化學吸附都相當穩定,近於不可逆。有的分子在化學吸附時並不解離成原子,因此又有解離化學吸附與非解離化學吸附之分。
  有許多化學吸附過程是以物理吸附為先導,然後再轉換成化學吸附。
  低溫冷凝現象  在低溫下,物理吸附的分子可以形成固態冷凝層。生長的可能性及其模式依賴於分子間三種相互作用力或吸附能(即氣體在基底上的吸附能Ep;相鄰兩個吸附分子之間的相互作用能Ei;氣體分子在自己的冷凝層上的吸附能E悡)的相對值。吸附能大說明吸力大。E悡的大小與Ei、冷凝層的厚度和分子附著的位置有關。一般真空物理,而Ei隨固相升華能單調增長。真空物理時,按照熱力學平衡條件,只要沉積面上的氣體壓強等於或大於固態升華壓強,沉積過程就可以發生並逐層生長。真空物理,甚至真空物理時,沉積生成固體層是一個環繞核心的生長過程(例如氬、氮、二氧化碳等在金表面上的冷凝沉積)。沉積面上的入射氣體壓強必須大於升華壓強,只有這樣才能使入射到表面上的分子流與表面脫附平衡。
  氣體低溫冷凝現象可用於設計製造低溫冷凝泵。例如採用20~4K的深冷金屬板或多孔性物質(如活性炭、分子篩等) 冷凝捕集氣體;還可以利用易凝結的氣體(如氬、二氧化碳、氮)固化層來捕集難以吸附的氣體分子(如氦)。
  熱脫附與程序升溫脫附譜  吸附於表面的氣體分子,如因熱運動得到足夠大的能量,就能脫離表面而回到空間,這叫做熱脫附。
  閃脫法廣泛地用於研究氣體在各種難熔金屬上的脫附動力學。將被研究的金屬製成帶狀或絲狀置於真空中,經處理后得到清潔的金屬表面,然後引入試驗氣體吸附於其上,停止漏入氣體后,按一定規律快速升溫,令吸附氣體再放出,在真空室中造成壓強隨時間的變化,出現一些壓強峰,稱為程序升溫脫附譜。對各個壓強峰的位置、形狀、峰形是否對稱以及壓強峰曲線下的面積等進行分析可以得到:①各種吸附態的數目和每種態的吸附數量。②各種吸附態的脫附能。③脫附反應的階數,即吸附分子在表面上是否解離吸附。在一些小型真空系統中,可以用程序升溫脫附譜來判斷分析其中的殘氣成分。
  電子誘導脫附及光子誘導脫附  以電子轟擊(或以光子照射)化學吸附樣品時,由於入射電子(或光子)的激發作用而使吸附原子或分子處於勢能較高的狀態。如果這些原子或分子在退激發前能離開表面,就以中性粒子或離子的形式脫附。脫附的離子數量約為中性粒子的百分之一到千分之一。上述物理過程稱為電子(或光子)誘導脫附。
  研究脫附粒子的能量與成分、出射的空間角分佈、荷電狀況以及脫附產額與入射電子、光子的能量關係,可以得到表面吸附態、表面化學鍵的空間幾何結構、吸附的電子結構和脫附過程的電子躍遷過程等表面信息。
  氣體的擴散逸出  氣體分子打在固體表面上除了可能發生吸附作用之外,還可能擴散進入固體之內。固體內部的氣體分子也可能向外擴散逸出至真空中,具體的運動方向取決於固體內外的氣體濃度。
  在溫度均勻的條件下,粒子由濃度大的地方遷移到濃度小的地方。擴散流的強度與濃度梯度成正比。在實驗中得到的這個關係稱為擴散第一定律或費克定律,即

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Γ是單位時間通過單位面積的擴散流,真空物理是沿粒子擴散遷移方向的濃度梯度,D是擴散係數,對於氣體在固體中的擴散,有如下的簡化關係式:

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ED是粒子在固體內的擴散激活能,單位為焦耳/克分子。
  將薄金屬片放在真空中加熱,氣體可自金屬內部擴散逸出,達到去氣目的。對於厚的材料,擴散出氣的深度通常僅限於表層。
  參考書目
 王竹溪著:《統計物理學導論》,高等教育出版社,北京,1956。
 E.H.Kennard,Kinetic Theory of Gases,McGraw-Hill,New York,1938.
 Th.N.Rhodin & G.Ertl,The Nature of the SurfaceChemical Bond, North-Holland, Amsterdam,1979.
 D.O.Hayward & B.M.W.Trapnell,Chemisorption,2nd ed.,Batterworths,London,1964.

3 真空物理 -配圖

 

4 真空物理 -相關連接

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