真空技术及应用系列讲座1真空科学的发展及应用.pdf

真空技术及应用系列讲座 第一讲：真空科学的发展及应用 李云奇 ( 东北大学 ) 一、 真空科学发展的历史回顾 人们或许是受翻译国外书刊的影响，通常在回顾真空科学发展史时，常常误认为 1643 年 托里析利的压力实验和 1650 年葛利克发明抽气机是对真空这一现象的最早发现，其实早在 公元前六世纪我国在冶铁技术中即采用了风箱鼓风法，那时称风箱为“鞲鞴”。战国时期“老 子道德经”一书说“鞲鞴”是虏而不屈、动而愈出”，这是利用真空吸气原理的有记载的描述。 而欧州到十六世纪才发明这种设备。中国晋朝炼丹家和医生葛洪 (公元 218 ～ 3l6 年)在“肘 后备急方”中所介绍的利用气体的热胀冷缩、创造的“拔火罐”医疗法、正是真空技术在医学 上应用的具体例证。因为发生在火罐里的现象正是一个获得真空和应用真空的完好过程。这 种获得真空的方法比托里析利用水银赶走玻璃管中的大气而获得的真空方法还要高明。因为 在罐内燃纸加热大气、不但能赶走罐内的部分大气，而且还可以把罐中的氧气烧掉、这至少 4 可以使罐中产生五分之四个大气压力的真空。即相当于在罐中获得 6 × 10 Pa 的低压。至于 葛利克的抽气机与我国古代所采用的风箱抽气比较，在抽气原理上是相同的。不过在我国“天 工开物”一书中记载的利用“风箱鼓风炼铁”要比葛利克抽出他的“金属半球”中的气体，在时 间上至少早几百年，因此在我们回顾真空科学发展历程时，是不应当忘记我们的祖先、对人 类在早期发展真空技术所做出的贡献。 二 、 真空及其应用 1、真空的含义及特点 在真空科学中，真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。人们通常 把这种稀薄的气体状态称为真空状况。这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气在状态相 比较，主要有如下几个基本特点： （1 ）真空状态下的气体压力低于一个大气压，因此，处于地球表面上的各种真空容器 中，必将受到大气压力的作用，其压强差的大小由容器内外的压差值而定。由于作用在地球 2 表面上的一个大气压约为 10135N/m ，因此当容器内压力很小时，则容器所承受的大气压 力可达到一个大气压。不同压强下单位面积上的作用力，如表 1 所示。 （2 ）真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度小于大 气压力的气体分子密度。因此，分子之间、分子与其他质点（如电子、离子等）之间以及分 子与各种表面（如器壁）之间相互碰撞次数相对减少，使气体的分子自由程增大。表 2 给 出了常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系。 表 1 不同压力下单位面积上的作用力 2 2 压力 (Pa) 作用力 (kg/cm ) 压力 (Pa) 作用力 (kg/cm ) 105 1．03328 5 × 103 6.79755 × 10-2 5 × 104 6.79755 × 10-1 1 × 103 1.35951 × 10-2 3 × 104 4.07853 × 10-1 5 × 102 6.79755 × 10-3 4 -1 2 -3 1 × 1