提到真空，你最先想到什么？
給朋友寄鵝腿要用真空包裝？
不不，換個(gè)思路，你還能想到什么？
是小學(xué)二年級(jí)就學(xué)過的“聲音不能在真空中傳播”，還是初中二年級(jí)學(xué)過的“托里拆利實(shí)驗(yàn)”，亦或是傳說中的“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”？
不管你想到的是什么，真空對(duì)于我們來說并不陌生。
如果你了解一下真空的定義，你就會(huì)驚奇的發(fā)現(xiàn)，真空一點(diǎn)也不神秘，你也經(jīng)常跟它打交道。
真空的定義
“真空 (vacuum)”一詞來自希臘語，意為“空的”，但是真空并不是空無所有的狀態(tài)，即便是在銀河系邊緣也有大量物質(zhì)分子存在?？茖W(xué)界對(duì)真空的普遍定義為：真空是指“壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)”。
那么仔細(xì)想想，當(dāng)我們喝牛奶的時(shí)候，喝口服液的時(shí)候，瓶子里的低氣壓狀態(tài)是不是都可以稱作“真空”呢？
更簡(jiǎn)單一點(diǎn)，用手堵住針管的一段，拉動(dòng)活塞，針管里面就是真空狀態(tài)。
不可思議？
沒關(guān)系，我們先來看看真空發(fā)現(xiàn)的歷史。
小課堂
早在 1643 年，意大利物理學(xué)家托里拆利（Torricelli）就做了一個(gè)著名的大氣壓實(shí)驗(yàn) —— 托里拆利實(shí)驗(yàn)。
他在一段封閉的玻璃管中裝滿水銀（Hg），然后將玻璃管倒扣在盛有水銀的小槽中，玻璃管中的水銀在重力作用下會(huì)下降，他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水銀柱高度下降到 760mm 時(shí)就不再下降，托里拆利認(rèn)為玻璃管上端的空隙就是“真空”狀態(tài)。同時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)也得出結(jié)論，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)約為 760mm 汞柱。
因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)揭示了“真空”的存在，為了紀(jì)念托里拆利，“托（Torr）”也就成了衡量真空度的單位。
時(shí)間過得飛快，1654 年，德國物理學(xué)家、馬德堡市的市長(zhǎng)奧托?馮?格里克為了進(jìn)一步驗(yàn)證大氣壓強(qiáng)的存在，做了著名的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)。
他把兩個(gè)直徑約為 50 厘米的金屬半球合起來，把里面抽成真空，然后用八匹高頭大馬向相反的方向拉，可是無論如何也拉不開這兩塊半球。這個(gè)實(shí)驗(yàn)生動(dòng)形象又極具感染力地證明了大氣壓強(qiáng)的存在，也讓我們體會(huì)到真空的魅力。因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)是在德國馬德堡市進(jìn)行的，因此被稱為“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”。
真空的單位及分類
那么根據(jù)托里拆利的實(shí)驗(yàn)，我們可以得出以下關(guān)系，
1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 (atm)=760mmHg=760Torr
根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論，分子在永不停歇地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中，分子之間會(huì)不斷相互碰撞，或者時(shí)不時(shí)與容器壁碰撞，這些相互碰撞在統(tǒng)計(jì)意義上就產(chǎn)生了溫度、壓強(qiáng)等宏觀現(xiàn)象。容器中分子數(shù)的多少可以用壓強(qiáng)來衡量，而分子數(shù)的多少又反映了真空度的高低。因此真空度可以用壓強(qiáng)來衡量。
真空與壓強(qiáng)的關(guān)系為，真空度越高，壓強(qiáng)越??；真空度越低，壓強(qiáng)越大。正因?yàn)榇耍婵斩鹊膯挝挥玫氖菈簭?qiáng)單位。
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓用帕斯卡（Pa）表示為
1atm=1.013×105Pa
這樣我們就得到不同真空單位之間的換算關(guān)系。
有了單位，我們就可以對(duì)真空度進(jìn)行劃分。國際上沒有統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)，常用的劃分是這樣的，
粗真空：760Torr~1Torr
低真空：1Torr~10-3Torr
一般真空：10-3Torr~10-6Torr
高真空：10-6Torr~10-9Torr
超高真空：10-9Torr~10-12Tor
那么有了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我們上面提到的針管中的真空以及托里拆利實(shí)驗(yàn)中的真空就都屬于粗真空的范疇了。
那么實(shí)驗(yàn)室里常用的超高真空狀態(tài)是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
這就涉及到了我們的核心內(nèi)容 —— 真空泵。
抽真空的設(shè)備 —— 真空泵
實(shí)驗(yàn)室常用的真空泵有機(jī)械泵、渦輪分子泵、離子泵、鈦升華泵、低溫吸附泵、吸氫氣泵幾種，正是這些不同種類的泵一級(jí)級(jí)地抽，才能達(dá)到超高真空狀態(tài)。
我們知道，空氣是由大量的氣體分子構(gòu)成的，含量最高的是氮?dú)?、氧氣，還有少量的二氧化碳、氫氣、水蒸氣、稀有氣體之類的。
一個(gè)密閉容器中所含的氣體分子越少，它的真空度就越高，因此我們抽真空的目的就是盡可能地減少腔體中氣體分子的數(shù)目，這就是這些真空泵要做的事情。
這些真空泵按工作原理大致可以分為兩類。一類是將氣體不斷吸入并排出體外的泵，例如機(jī)械泵、渦輪分子泵；一類是將氣體分子吸附在內(nèi)壁上的泵，例如鈦升華泵、低溫吸附泵、吸氫氣泵。不管工作原理如何，這些泵的最終目的都是減少腔體內(nèi)的氣體分子數(shù)。
由于不同泵的構(gòu)造不同，每種泵都有自己的工作區(qū)間，只有在一定的壓強(qiáng)范圍內(nèi)才可以正常工作，否則就會(huì)損壞。不同泵的工作壓強(qiáng)區(qū)間如下圖所示。
從上圖我們可以看出，要達(dá)到超高真空，只用一種泵是無法實(shí)現(xiàn)的，需要不同種類的泵接力，像極了我們做科研的過程，不是嗎？團(tuán)隊(duì)合作。
在實(shí)驗(yàn)室，我們先用機(jī)械泵抽到粗真空，再打開分子泵抽到高真空，最后用離子泵或者鈦升華泵抽到實(shí)驗(yàn)所需的真空狀態(tài)。
小課堂
為什么實(shí)驗(yàn)室需要超高真空條件呢？
想象一下你變得跟一個(gè)分子一樣大小，就像《蟻人》里面那樣，你就會(huì)看到空氣中 1023 量級(jí)的分子數(shù)，這些分子落在樣品表面，就會(huì)把樣品污染，無法探測(cè)樣品表面的性質(zhì)。
那么在超高真空的腔體中，究竟還有多少分子呢？我們來做一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算。
在統(tǒng)計(jì)力學(xué)課上我們學(xué)過，利用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，把氣體分子看成剛性小球，可以用統(tǒng)計(jì)的方法得出氣體壓強(qiáng)公式：
其中，n 為氣體分子數(shù)密度，m 是分子質(zhì)量，按照國際單位制，壓強(qiáng)的單位為 Pa
根據(jù)能量均分定律，把每個(gè)氣體分子看作質(zhì)點(diǎn)（即簡(jiǎn)化為有質(zhì)量的點(diǎn)），有三個(gè)振動(dòng)自由度 x,y,z，每個(gè)自由度的平均能量為
其中，k=1.38×10-23J / K，為玻爾茲曼常數(shù)。則，
這就得出了壓強(qiáng) P 和分子密度 n 以及溫度 T 的關(guān)系。
如果我們?cè)?500℃把真空抽到 5×10-8Pa，即 T=773K，則
可以看出雖然我們已經(jīng)抽到了超高真空，但是腔體內(nèi)的分子數(shù)還是很多很多，這就是為什么我們要在超高真空條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的原因。
講了這么多，不知道你有沒有想過，我們是如何知道腔體內(nèi)的真空度有多高的呢？
度量真空的儀器 —— 真空計(jì)
是的，就像我們有溫度計(jì)和濕度計(jì)一樣，我們也有測(cè)量真空度的儀器 —— 真空計(jì)。
我們已經(jīng)知道，真空度的高低是用壓強(qiáng)大小來衡量的，因此，真空計(jì)也是通過測(cè)量壓強(qiáng)的大小來反映真空度的。
真空計(jì)根據(jù)其工作原理大致可以分為兩類：一類直接測(cè)量壓強(qiáng)的大小，稱為絕對(duì)真空計(jì)，例如 U 型真空計(jì)、壓縮式真空計(jì)；一類是通過測(cè)量與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量，間接標(biāo)定壓強(qiáng)的數(shù)值，稱為相對(duì)真空計(jì)，例如熱傳導(dǎo)真空計(jì)、電離真空計(jì)。在實(shí)驗(yàn)室常用的一般是相對(duì)真空計(jì)。
熱傳導(dǎo)真空計(jì)是一種測(cè)量低真空的真空計(jì)，顧名思義，就是利用熱量變化來測(cè)量真空的儀器。它的原理就是將一根金屬絲通電加熱，由于氣體分子的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶走一部分熱量，因此達(dá)到熱平衡時(shí)溫度越高，就說明氣體導(dǎo)走的熱量越少，氣體分子密度越小，也就是壓強(qiáng)越低，真空度越高。
電離真空計(jì)是目前采用最廣的真空計(jì)，是一種測(cè)量高真空的真空計(jì)，只有在真空抽到一定量級(jí)時(shí)才可以打開。它的工作原理為：具有足夠能量的電子與氣體分子碰撞，使氣體分子電離，產(chǎn)生正離子和電子；電子在運(yùn)動(dòng)過程中與分子碰撞的次數(shù)正比于分子數(shù)密度，也即壓強(qiáng) P，因此產(chǎn)生的正離子數(shù)就正比于壓強(qiáng) P，可以通過測(cè)量正離子的多少來標(biāo)定真空度的高低。
小結(jié)
如果你能看到這里，那么恭喜你，你已經(jīng)對(duì)真空有了相當(dāng)多的了解。
一句話總結(jié)一下，真空要一級(jí)一級(jí)抽，抽真空的儀器為真空泵，測(cè)量真空度實(shí)際是在測(cè)量壓強(qiáng)，用的設(shè)備為真空計(jì)。
那么，在真空的海洋里飽餐一頓之后，也不要忘記你手中的鵝腿，你的胃還在等著飽餐一頓呢。
參考文獻(xiàn)：
[1] 趙寶升，《真空技術(shù)》，科學(xué)出版社
[2] 郭方準(zhǔn)，《實(shí)用真空技術(shù)》，大連理工大學(xué)出版社
本文來自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：阿白
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