词条 | 真空物理 |
释义 | zhenkong wuli 真空物理(卷名:电子学与计算机) 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弹性刚球模型。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 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 在空间坐标的三个方向上气体分子平动能平均值各为 ![]() ![]() 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。如采用弹性刚球模型表示,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 ![]() ![]() ![]() ![]() 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 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 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 ![]() ![]() ![]() 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。 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 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。 ![]() ![]() ![]() ![]() 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 ![]() ![]() 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 ![]() ![]() 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 ![]() ![]() ![]() ![]() 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 ![]() ![]() ![]() 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. |
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