什么是真空物理?

什么是真空物理?

[拼音]：zhenkong wuli

[外文]：vacuum physics

真空是指低于大气压强的气体状态。真空可用各种物理、化学和机械方法获得。真空获得与测量是真空技术的主要内容。真空物理研究真空技术的物理基础，主要内容包括气体分子运动论、气固界面物理、气体放电等。

气体分子运动论

在真空技术中涉及的气体分子运动理论主要包括下面内容。

气体分子模型和气体分子间的相互作用力

气体分子由原子构成。分子虽然是中性的，但由于分子内电子的排布形成电偶极子，分子之间的作用力就是电偶极子之间的作用力，称为范德瓦力。这种力的作用距离较短，因此可以认为分子处于自由运动状态，只是在碰撞接触的瞬间彼此才发生相互作用，改变各自的运动方向和速度。这就是气体分子运动论常采用的d性刚球模型。利用这种简单模型可以得到有关分子运动的一些规律，但它只能反映平动能的交换，不能表达分子转动能与振动能的交换。

麦克斯韦速率分布律

分子间通过碰撞交换平动能，在大量碰撞情况下，分子速度的各种变化在统计上可以互相抵消，因而出现一个稳定的状态，即呈现稳定的速度分布。若以v表示速率，气体分子的速率分布为

(1)

上式称为麦克斯韦速率分布，它表示在所讨论空间的n个分子中速率在v到v+dv区间的分子数，m和T分别是气体分子的质量和温度，k是玻耳兹曼常数。图1为麦克斯韦速率分布曲线。


是最可几速率，相当于分子数最多的速率。


是平均速率，而


是均方根速率。麦克斯韦速率分布律说明气体分子的热运动速率的分布。

在空间坐标的三个方向上气体分子平动能平均值各为


，总的平动能的平均值为


。

碰撞频率与自由程

气体分子在空间运动时会与其他气体分子发生碰撞。如采用d性刚球模型表示，则直径为σ、速度为v的分子穿过空间密度为n 的同类静止分子所处的空间时，每秒将要发生


次碰撞，v称为碰撞频率，在真实气体中分子具有各种速度，所有分子的平均碰撞频率


，两次碰撞间走过的平均距离为

(2)

憳称为麦氏平均自由程。分子数按自由程长度分布的规律为

(3)

即n0个分子中自由程等于和大于r的数目为n个。

碰壁数

气体分子除了在空间相互碰撞外，还与器壁碰撞。在气体的空间密度和温度均匀的条件下每秒打 在单位面积上的分子数为


，称为碰壁数。


个碰壁分子在空间占有的体积为


。例如一个大气压下的氮气在15


下碰壁数为3.13×1023/秒·厘米2，相当于半个克分子的气体量。相应的气体体积数为11.66升／秒·厘米2。对于入口面积为A的真空泵，每秒排走的气体体积数不可能超过


A，因此在真空泵的设计中，


又称为理想抽速值。即室温下真空泵的每一平方厘米入口面积对氮气抽速不可能超过11.66升／秒。

余弦定律与蒸发和凝结

碰壁分子来自空间各个方向，沿表面法线方向入射的数量密度最大，平行于表面的为零。来自空间任一方向的气体分子数与这一方向余弦成正比，即

(4)

式中


是碰壁分子数，dΩ是沿着分子入射方向的立体角元，θ是入射方向与表面法线的夹角，dNθ是从dΩ立体角元入射打到单位面积上的分子数（图2）。这个关系称为余弦定律。它是空间中无规则运动的粒子碰壁时遵守的规律。

根据平衡的观点，气体分子自表面反射或凝聚相分子蒸发时出射质点的数量沿空间的角分布也遵守余弦定律。如果在一个真空容器中盛有一些凝聚物质，则时刻都有物质蒸发并在空间中形成蒸气压，这些气化物质中的一部分因碰壁而重新凝聚。当蒸发率与凝聚率相等时，空间将建立一个稳定的蒸气压强，称为饱和蒸气压强。如果用一台真空泵将蒸气分子抽走，则空间中的蒸气压强将低于饱和蒸气压，但蒸发率不变，仅依赖于凝聚物质的性质和温度。

气体压强

气体分子打在器壁上施加的作用力称为压力，单位面积上承受的压力强度称为压强。压强单位为达因／平方厘米或牛顿／平方米，后者简称为帕。在高温和低压的理想条件下，压强关系式为

P＝nkT (5)

将n=N/V的关系代入5)式(N是体积V中的分子数)可以得到

PV＝NkT (6)

这是N个分子在温度为T(K)的容器V中所建立的压强的关系。根据(6)式，人们采用体积膨胀降压法以校准真空计，也可以利用(6)式来计算气体量Q＝PV与分子数的关系。

气体的输运过程

气体的输运过程包括热传导和扩散等过程。

粘滞性

当气体流动时，在流得快和流得慢的气体间的界面上就会出现一种粘滞力。它的作用是带动流动慢的气体前进，而它的反作用力是对流动快的气体起阻滞作用。图3表示一个气流，流动方向取为y轴，沿着x方向有速度变化，即v0(x)，实验证明在任取的一个x0界面上有一个平行于 y 轴的作用力，它的强度与速度的陡度成正比。

(7)

η称为粘滞系数，单位为帕;Py(x)的单位是达因／厘米2。(7)式称为牛顿粘滞定律。粘滞系数有如下表达式：

(8)

式中ρ 是气体的质量密度。由于ρ＝nm，并且


，因而在高压强范围内η是一个常数。但当憳与容器尺寸d可相比拟时，令憳＝d，则η


n，η将随压强作线性变化，利用这个现象可制成粘滞真空计以测量低压强值。

热传导

如果气体中各处的温度不同，则热量将从高温区传导至低温区。假设温度只沿x方向变化，在x=x0平面上温度是均匀的，则单位时间通过单位面积传导的热量q与温度梯度成正比。

(9)

k叫做导热系数，由气体分子运动论可导出

(10)

式中cV是气体的定容比热容。在


远小于容器尺寸的情况下，k不随压强而变化，只是


时，k才随压强的降低而变小。人们利用气体热传导系数的这一性质设计出热传导真空计，用以测量大于10-2～10-3帕的压强。

扩散

空间中的某一种气体的浓度不均匀便会从浓度高处流向浓度低处，形成质量的迁移，这种现象称为扩散。

粘滞性的本质是动量迁移，热传导的本质是能量传输，而扩散的本质是质量迁移。这三种过程统称为气体中的输运过程。它们虽然是非平衡态的现象，然而宏观上往往在上述各物理量的迁移方向上并未表现出气体分子的宏观流动现象。

气体的流动

当容器中的两部分气体存在压强差时，就将产生宏观的流动过程。在高压强下


分子的碰撞频繁，动量、能量的交换主要发生在邻近的分子间。气体在一根长直圆管中流动时，贴着管壁的气体分子速度近似为零(气体分子碰壁后失去它们的宏观流动速度)，而沿着管轴上的流动最快。沿着管径流速按抛物线变化（图4），气流好像一层一层的圆柱面套起来似的，在层与层的界面上存在着粘滞力（因有速度陡度），好像内层的气体带动外层的气体流动。

在低压强下，因为憳大于管道直径，分子在管道内运动，中间路程上基本不与其他分子碰撞，分子的流动好像是碰壁前进，称为分子流。统观起来，分子从密度高的地方流向低的地方，故又称为扩散流。

气体分子与固体表面的相互作用

真空电子技术中涉及的气体分子与固体表面相互作用主要有吸附、脱附、低温冷凝、气体的扩散逸出等。

化学吸附与物理吸附

固体内的原子周期性地排列，在每一个原子的周围都有固定数目的原子互相键合。但是，在固体表面，法线方向的周期性被破坏，表面外没有固体原子，因而表面原子有未饱和的剩余价键，它的作用范围很近，只有几埃。气体分子入射时，受表面键作用而停留在表面上的现象，称为吸附。吸附分子有规则地排列在表面势能低的稳定点上。而且分子往往优先停留在某些吸附位上，当覆盖度大时再停留在另一些位置上。

物理吸附和化学吸附势能曲线见图5。M+A2是物理吸附的曲线。由原子 A组成的双原子分子接近金属表面时，如距离大于 Zp，受到的是范德瓦吸引力。当距离小于Zp而接近金属表面时，分子壳层电子受金属电子的作用重新排布，表现出很强的拒斥力。因此分子多数停留在Zp附近，围绕Zp振动并放出热量qp。qp称为物理吸附热。

M+2A曲线是两个原子接近金属表面时的势能变化曲线。设想分子A2在空间获得解离能量E*而分解成双原子，因此在空间中就有较高的势能。当其接近表面时停留的平衡位置是Zc点。qc称为化学吸附热。M+A2与M＋2A曲线的交点对应的势能Ea称作化学吸附激活能，它的数值介于E*与零之间。

实际的气体化学吸附过程首先沿着 M+A2曲线进行。如果分子能量


，则分子A2可以到达Za点并受到表面的作用而解离成两个A原子，再沿M+2A曲线而停留在Zc点放出qc+E 的能量，这个过程叫做激活化学吸附。如果Ea≈0，则任何一个分子都可以越过Za点而产生化学吸附，这个过程叫做非激活化学吸附。欲使分子脱附离开表面，需要有


的能量，Ed叫做化学脱附能。化学吸附热qc通常比较大，因此大多数的化学吸附都相当稳定，近于不可逆。有的分子在化学吸附时并不解离成原子，因此又有解离化学吸附与非解离化学吸附之分。

有许多化学吸附过程是以物理吸附为先导，然后再转换成化学吸附。

低温冷凝现象

在低温下，物理吸附的分子可以形成固态冷凝层。生长的可能性及其模式依赖于分子间三种相互作用力或吸附能(即气体在基底上的吸附能Ep;相邻两个吸附分子之间的相互作用能Ei；气体分子在自己的冷凝层上的吸附能 E悡)的相对值。吸附能大说明吸力大。E悡的大小与Ei、冷凝层的厚度和分子附着的位置有关。一般


，而 Ei 随固相升华能单调增长。


时，按照热力学平衡条件，只要沉积面上的气体压强等于或大于固态升华压强，沉积过程就可以发生并逐层生长。


，甚至


时，沉积生成固体层是一个环绕核心的生长过程（例如氩、氮、二氧化碳等在金表面上的冷凝沉积）。沉积面上的入射气体压强必须大于升华压强，只有这样才能使入射到表面上的分子流与表面脱附平衡。

气体低温冷凝现象可用于设计制造低温冷凝泵。例如采用20～4K的深冷金属板或多孔性物质(如活性炭、分子筛等) 冷凝捕集气体；还可以利用易凝结的气体（如氩、二氧化碳、氮）固化层来捕集难以吸附的气体分子（如氦）。

热脱附与程序升温脱附谱

吸附于表面的气体分子，如因热运动得到足够大的能量，就能脱离表面而回到空间，这叫做热脱附。

闪脱法广泛地用于研究气体在各种难熔金属上的脱附动力学。将被研究的金属制成带状或丝状置于真空中，经处理后得到清洁的金属表面，然后引入试验气体吸附于其上，停止漏入气体后，按一定规律快速升温，令吸附气体再放出，在真空室中造成压强随时间的变化，出现一些压强峰，称为程序升温脱附谱。对各个压强峰的位置、形状、峰形是否对称以及压强峰曲线下的面积等进行分析可以得到：

（1）各种吸附态的数目和每种态的吸附数量。

（2）各种吸附态的脱附能。

（3）脱附反应的阶数，即吸附分子在表面上是否解离吸附。在一些小型真空系统中，可以用程序升温脱附谱来判断分析其中的残气成分。

电子诱导脱附及光子诱导脱附

以电子轰击（或以光子照射）化学吸附样品时，由于入射电子(或光子)的激发作用而使吸附原子或分子处于势能较高的状态。如果这些原子或分子在退激发前能离开表面，就以中性粒子或离子的形式脱附。脱附的离子数量约为中性粒子的百分之一到千分之一。上述物理过程称为电子(或光子)诱导脱附。

研究脱附粒子的能量与成分、出射的空间角分布、荷电状况以及脱附产额与入射电子、光子的能量关系，可以得到表面吸附态、表面化学键的空间几何结构、吸附的电子结构和脱附过程的电子跃迁过程等表面信息。

气体的扩散逸出

气体分子打在固体表面上除了可能发生吸附作用之外，还可能扩散进入固体之内。固体内部的气体分子也可能向外扩散逸出至真空中，具体的运动方向取决于固体内外的气体浓度。

在温度均匀的条件下，粒子由浓度大的地方迁移到浓度小的地方。扩散流的强度与浓度梯度成正比。在实验中得到的这个关系称为扩散第一定律或费克定律，即

(11)

Γ是单位时间通过单位面积的扩散流，


是沿粒子扩散迁移方向的浓度梯度，D是扩散系数，对于气体在固体中的扩散，有如下的简化关系式：

(12)

ED是粒子在固体内的扩散激活能，单位为焦耳／克分子。

将薄金属片放在真空中加热，气体可自金属内部扩散逸出，达到去气目的。对于厚的材料，扩散出气的深度通常仅限于表层。

参考书目

王竹溪著：《统计物理学导论》，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.