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真空

真空的含義是指在給定的空間內低於一個大氣壓力的氣體狀態,是一種物理現象。在「虛空」中,聲音因為沒有介質而無法傳遞,但電磁波的傳遞卻不受真空的影響。事實上,在真空技術里,真空系針對大氣而言,一特定空間內部之部份物質被排出,使其壓力小於一個標準大氣壓,則我們通稱此空間為真空或真空狀態。真空常用帕斯卡(Pascal)或托爾(Torr)做為壓力的單位。在自然環境裡,只有外太空堪稱最接近真空的空間。

中文名 :真空

類   別 :空間狀態

相關學科: 物理

壓   力: 小於一個標準大氣壓

相關實驗: 馬德堡半球實驗

基本原則 :真空是物理概念 空間是數學概念

真空分類

現代許多高精密度的產品在製造過程中的某些階段必需使用程度不一的真空才能製造,如半導體硬盤、鏡片。在實驗室和工廠中製造真空的方法是利用泵在密閉的空間中抽出空氣以達到某種程度的真空。在真空技術中按照壓力的高低我們可以區分為:

粗略真空(Rough Vacuum) 760 ~ 10 Torr

中度真空(Medium Vacuum) 10 ~ Torr

高真空 (High Vacuum)~ Torr

超高真空(Ultra-High Vacuum) Torr以下

物理學定義

概論

在真空科學中,真空的含義是指在給定的空間內低於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於一個大氣壓,因此,處於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。由於作用在地球表面上的一個大氣壓約為101325N/m²(Pa),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。

2、真空狀態下由於氣體稀薄,單位體積內的氣體分子數,即氣體的分子密度小於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。

物理真空

本指沒有任何實物粒子存在的空間,但什麼都沒有的空間是不存在的。而假設你把一個空間的氣體都趕跑,會發現還是不時有基本粒子在真空中出現又消失,無中生有。物理上的真空實際上是一片不停波動的能量之海。當能量達到波峰,能量轉化為一對對正反基本粒子,當能量達到波谷,一對對正反基本粒子又相互湮滅,轉化為能量。

工業真空

工業上的真空指的是氣壓比一標準大氣壓小的氣體空間,是指稀薄的氣體狀態,又可分為高真空、中真空和低真空,地球以及星球中間的廣大太空就是真空。一般是用特製的抽氣機得到真空的。它的氣體稀薄程度用真空計測定,現在已能用分子抽氣機和擴散抽氣機得到0.0000000001大氣壓的高真空。真空在科學技術,電真空儀器,電子管和其他電子儀器方面,都有很大用途。

正負電子對撞機

正負電子對撞機的作用絕不僅僅是一對正負電子相撞產生光子和能量那麼簡單,一對光子也可以相撞產生一對正負質子之類,而相撞使相撞所處的那部分真空可以激發到高能態,可以產生更多各式各樣的基本粒子,為研究宇宙的起源和組成服務。

按其詞源本義是虛空,即一無所有的空間;按現代物理的觀點,真空不空,其中包含着極為豐富的物理內容。一種說法是,當容器中的壓力低於大氣壓力時,把低於大氣壓力的部分叫做真空,而容器內的壓力叫絕對壓力。另一種說法是,凡壓力比大氣壓力低的容器里的空間都稱做真空。真空有程度上的區別:當容器內沒有壓力即絕對壓力等於零時,叫做完全真空;其餘叫做不完全真空。

認識過程

人類關於真空的認識經歷了幾次根本的變革和反覆。古希臘德謨克利特的原子論認為所有的物質都是由原子組成,原子之外就是虛空。17世紀R.笛卡兒提出以太漩渦說,認為空間充滿了以太,並用以說明行星的運動。不久I.牛頓建立以運動三定律和萬有引力定律為基石的牛頓力學,成功地解決了行星繞日運動問題,引力被認為是超距作用的,無需以太陽作為傳遞媒介,從而否定了以太論。

19世紀發現光的波動性,認為波的傳播必須依靠介質,特別是後來發現了電磁場的波動性,以太論再度興起,認為宇宙中不論何時何地,任何物體內無不充滿了以太,光和電磁波被解釋為以太的機械振動。後來雖然在觀念上有所變化,把光和電磁波看成電磁場的振動,但以太仍然保留着某種絕對的性質,它可以看成是描述萬物運動的絕對靜止的參考系。

19世紀末20世紀初各種試圖探測地球相對於以太運動速度的實驗均告失敗,A.愛因斯坦建立狹義相對論,再次否定了這種作為絕對靜止以太的存在。稍後,愛因斯坦在用場論觀點研究引力現象時,已經認識到空無一物的真空觀念是有問題的,他曾提出真空是引力場的某種特殊狀態的想法。

首先給予真空嶄新物理內容的是P.A.M.狄拉克。狄拉克於1930年為了擺脫狄拉克方程負能解的困境,提出真空是充滿了負能態的電子海。當負能態的電子吸收了足夠的能量躍遷到正能態成為普通電子時,電子海中才能留下可觀測的空穴,即正電子。從體系的能量角度考查,這種情況比只有電子海的真空狀態要高,因此真空就是能量最低的狀態。

從現代量子場論的觀點看,每一種粒子對應於一種量子場,粒子就是對應的場量子化的場量子。當空間存在某種粒子時,表明那種量子場處於激發態;反之不存在粒子時,就意味着場處於基態。因此,真空是沒有任何場量子被激發的狀態,或者說真空是量子場系統的基態。

關於真空的近代認識不再是哲學上的思辨,而是可通過實驗來檢驗的。有不少現象都需要用真空的近代觀念予以說明。例如氫原子能級的蘭姆移位和電子的反常磁矩,實驗上已經以非常高的精度證實了真空極化的效應;高能正負電子對撞湮沒為高能光子,反之高能光子可使真空激發出大量的粒子,也是很好的明證。對於真空的認識尚屬初級探索階段,物理學家還在探索真空自發破缺和真空相變等問題,必將推動物理學的進一步發展。

性質

1.空非無。如果真空中沒有粒子,我們就會準確的測出場(0)與場的變化曲率(0),然而海森堡不確定性原理表明,我們不可能同時精確地測出一對共軛量,所以,可以「空」,不能「無」。因此,在真空中,粒子不停地以虛粒子、虛反粒子對的形式憑空產生,而又互相湮滅,在這個過程中,總的能量保持不變。

2.真空存在極性,因此說真空是不對稱的。但這種不對稱是相對局部的,在相對整體上又是對稱的,如此的循環嵌套構成了真空的這個性質。

3.真空的每個局部具備了真空的全體性質。大和小是相對而言的。時間也是相對於空間而言的,時間不能脫離了具體的空間而單獨的存在。

應用

真空技術隨着越來越廣的應用,遍及航空航天和軍工、光伏發電等領域,是工業體系不可或缺的重要技術。目前真空技術受到世界各國的重視,真空設備、技術、材料、配件等有着廣闊的市場前景。我國真空設備行業每年以20%左右的速度增長,在國家重大項目工程的扶持中,國內的真空技術產業已不能在質上滿足市場要求。下面我們就三個重大產業對真空技術的需求做簡要概述:

1、冶金工業:

冶金工業需用到的真空技術包括鋼液真空處理、真空熔煉、真空感應熔煉、感應殼熔煉、真空電弧重熔等。其中,真空鋼液處理是冶金工業很重要的一方面。這項技術主要應用於原子能工業,宇宙空間技術、海洋鑽探技術、燃氣發動機技術、汽車工業、飛機製造業、高速列車等高技術工業中,對鋼中的某些元素進行控制和處理,對鋼鐵材料的壽命、可靠性提出了越來越高的要求。目前各種應用行業擁有現代化的真空處理設備,大大降低了鋼中氮、氫、氧等雜質的含量,處理水平也不斷提高。美、日、德等國已經將此項技術作為國家標準,並對其軸承鋼、電工用鋼和大型鍛件採用100%的真空脫氣處理,完成現代化鋼鐵工業的基本要求。

2、電子與微電子工業:

電子技術要求電子元器件和電路的尺寸越來越小,集成度要求越來越高。這與真空技術的應用密不可分,特別是超大規模集成電路的微細加工技術,其幾何圖形結構的形成、超薄層生長技術、粒子束注入技術都需要高質量、清潔的真空環境,可見其發展對真空技術、裝備的依存性。目前,日本真空廠商的銷售額中60%左右是面向電子工業,而當今的超大規模集成電路大約有3/4的工序需要有真空條件。

3、機械製造行業:

這是一個帶動性強、帶動作用廣的產業,目前歐債危機的陰霾仍未散去,各國積極將機械製造產業作為提振經濟的重點。它的技術應用一般集中在真空熱處理、真空釺焊、真空塗層刀具等傳統領域。真空熱處理是指將真空技術與熱處理技術緊密結合的新型熱處理技術。它對工具、模具和精密耦件的處理可起到提高使用壽命、加速化學熱處理的吸附和反應過程等特點。另外,它本身工藝操作靈活、無公害的特點成為行業常用的處理手段。[1]

4、真空乾燥設備

真空乾燥設備專為乾燥熱敏性、易分解和易氧化物質而設計,能夠向內部充入惰性氣體,特別是一些成分複雜的物品也能進行快速乾燥。在低壓下乾燥時氧含量低,能防止被乾燥物料氧化變質,可乾燥易燃易爆的危險品;可在低溫下使物料中的水分汽化,易於乾燥熱敏性物料;能回收被乾燥物料中的貴重和有用的成分;能防止被乾燥物料中有毒有害物質的排放,可成為環保類型的「綠色」乾燥。[2]

5、真空包裝

將食品裝入包裝袋,抽出包裝袋內的空氣,達到預定真空度後,完成封口工序。真空充氣包裝:將食品裝入包裝袋,抽出包裝袋內空氣達到預定真空度後,再充入氮氣或其它混合氣體,然後完成封口工序。[3]

歷史典故

1654年馬德堡市長奧托·馮·格里克在雷根斯堡向皇帝展示了他所設計的半球實驗。他製造了兩個直徑51厘米的紅色銅製半球,半球中間有一層浸滿了油的皮革,用以讓兩個半球能完全密合。接着他用他自製的真空泵將球內的空氣抽掉,此時兩個沉重的銅製半球在沒有任何接着劑的輔助下緊密地合而為一,讓人十分驚訝。[4]

格里克實驗的高潮才正要開始,他為了證明兩半球的結合是多麼緊密、紮實。市長拉來了16匹馬,分成兩隊使勁拉,在一聲巨響中,兩個半球被拉開了。這就是物理學史上著名的「馬德堡半球實驗(Magdeburg hemispheres test)」。


外部連結

參考來源 =

  1. 簡析真空技術的應用與發展,化工儀器網,2018年01月22日
  2. 淺談我國真空乾燥設備發展歷程及使用情況,加利美網,2017/2/15
  3. 真空包裝技術,真空技術網
  4. 馬德堡半球實驗說明了什麼?,快資訊網,2019-06-03