真空物理学基础
真空介电常数和真空磁导率
真空介电常数和真空磁导率
真空介电常数和真空磁导率是物理学中两个重要的常数，它们分
别描述了真空中电场和磁场传播的性质。
真空介电常数，一般用符号ε0表示，是真空中电场强度和电荷
密度之间的比值，即ε0 = Q / (4πε0r²)，其中Q为电荷量，r为
电荷所在点到测定点的距离。
它的数值为8.85×10^-12 F/m，其中F
表示法拉第。
这个数值在电场中很重要，因为它描述了电荷间的相互
作用，以及电场力的大小。
真空磁导率，一般用符号μ0表示，是真空中磁场强度和磁荷密
度之间的比值，即μ0 = I / (2πr)，其中I为电流强度，r为电流
所在点到测定点的距离。
它的数值为4π×10^-7 H/m，其中H表示亨利。
这个数值在磁场中很重要，因为它描述了磁荷间的相互作用，以
及磁场力的大小。
这两个常数的数值看上去很小，但它们对于电磁学和电动力学领
域的研究却具有重要的意义。
通过这些常数，我们能够更好地理解电
磁场的行为，并且可以预测电荷和电流在空间中的运动和作用。
此外，真空介电常数和真空磁导率也常常被用来描述物质中电磁场的行为，
因为它们是许多物理常数的基础。
总而言之，真空介电常数和真空磁导率是物理学中两个非常重要
的常数，它们描述了真空中电场和磁场的传播性质，对电磁学和电动
力学等领域的研究具有重要的意义。
真空技术在物理实验中的应用与使用
真空技术在物理实验中的应用与使用介绍真空技术是物理实验中不可或缺的重要组成部分。
它的主要作用是在实验中创造一个低压环境，通过减少气体分子的数量，降低分子之间碰撞的概率，以及消除气体分子对实验结果的干扰。
本文将为您介绍真空技术在物理实验中的应用和使用。
真空技术的基本原理真空技术的基本原理是通过减少气体分子的数量，创造一个低压环境，从而实现实验结果的准确控制。
真空技术主要依赖于密封容器和抽气装置来消除气体分子的干扰。
一、应用1：电子显微镜电子显微镜是一种利用电子束来观察物质结构和性质的仪器。
在电子显微镜中，真空技术的应用十分关键。
首先，电子显微镜需要在真空环境中工作，因为在高压下，气体分子会对电子束产生散射，影响成像质量。
其次，真空环境有助于保护电子束产生装置，避免氧化和污染。
因此，在电子显微镜中，真空技术的正确应用是保证分辨率和图像质量的基础。
二、应用2：粒子加速器粒子加速器是一种用于加速带电粒子的装置，其主要应用于物理实验、粒子物理学和核科学研究领域。
在粒子加速器中，真空技术在两个方面起着重要作用。
首先，真空环境可以减少带电粒子与气体分子的碰撞，从而提高加速效率和束流品质。
其次，真空环境可以防止带电粒子与气体分子发生反应，避免装置污染和性能下降。
因此，真空技术是粒子加速器运行过程中的基本要求。
三、应用3：核磁共振核磁共振是一种用于研究原子核结构和分子性质的重要方法。
在核磁共振实验中，真空技术被广泛应用于样品制备和测量装置。
首先，在核磁共振实验中，样品需要被置于真空容器中，以避免氧化和与空气中其他成分的反应。
其次，在测量装置中，减少气体分子的干扰是保证实验结果准确性的基础。
因此，真空技术在核磁共振实验中的应用十分重要。
结论真空技术在物理实验中的应用与使用被广泛认可和采用。
在电子显微镜、粒子加速器和核磁共振等领域，真空技术的正确应用是保证实验结果准确性和可重复性的关键。
因此，在进行物理实验时，我们应该了解并掌握适当的真空技术，以确保实验的成功和产出具有科学价值的结果。
真空物理知识
真空物理知识为了阐述真空技术中经常遇到的一些物理知识，特别是那些在真空行业中会经常遇到的一些基本物理定律和相关的理论问题，如理想气体定律、气体与蒸气的性质，气体内部各种动力过程的规律以及气体与固体间相互作用的规律等一系列问题，对真空物理中的一些问题进行一些介绍是十分必要的。
2.1 理想气体定律及其状态方程本节所介绍的定律及相关公式是针对平衡状态下，符合理想气体的有关假设条件的前提下而得出的。
由于在真空技术中研究的气体大多数处于常温和低压状态下，因此在工程计算中应用这些定律基本上是符合实际的。
现就有关问题分述如下：2.1.1 气体定律气体的压力p(Pa)、体积V （m 3）、温度T （K ）和质量m （kg ）等状态参量间的关系，服从下述气体实验定律：2.1.1.1 波义耳—马略特定律：一定质量的气体，当温度维持不变时，气体的压力和体积的乘积为常数。
即：pV=常数 2-12.1.1.2 盖·吕萨克定律：一定质量的气体，当压力维持不变时，气体的体积与其绝对温度成正比，即：2.1.1.3 查理定律：一定质量的气体，当体积维持不变时，气体的压力与其绝对温度成正比，即：上述三个公式习惯上称为气体三定律。
具体应用方式常为针对由一个恒值过程连结的两个气体状态，已知3个参数而求第4个参数。
例如：初始压力和体积为P 1、V 1的气体，经等温膨胀后体积变为V 2，则由波义耳—马略特定律，即可求出膨胀后的气体压力为P 2=P 1V 1/V 2。
这正是各种容积式真空泵最基本的抽气原理。
2.1.1.4 道尔顿定律：相互不起化学作用的混合气体的总压力等于各种气体分压力之和，即：P=P 1+P 2+……P n 2-4 这里所说的混合气体中某一组分气体的分压力，是指这种气体单独存在时所能产生的压力。
道尔顿定律表明了各组分气体压力的相互独立和可线性叠加的性质。
2.1.1.5 阿佛加德罗定律：等体积的任何种类气体，在同温度同压力下均有相同的分子数，或者说，在同温度同压力下，相同分子数目的不同种类气体占据相同的体积，人们把1mol 任何气体的分子数目N A 叫做阿佛加德罗数，N A =6.022×1023mol -1。
7~0真空技术基础知识
第七单元 真空技术7-0 真空技术基础知识“真空”是指气体分子密度低于一个大气压的分子密度稀薄气体状态。
真空的发现始于1643，那年托利拆利（E.Torricelli ）做了有名的大气压力实验，将一端密封的长管注满水银倒放在盛有水银的槽里时，发现了水银柱顶端产生了真空，确认了真空的存在。
此后，人们不断致力于提高真空度，随着科学技术的发展，现在已经能够获得低于10-10Pa 的极高真空。
在真空状态下，由于气体稀薄，分子之间或分子与其它质点之间的碰撞次数减小，分子在一定时间内碰撞于表面上的次数亦相对减小，这导致其有一系列新的物化特性，诸如热传导与对流减小，氧化作用小，气体污染小，气化点降低，高真空的绝缘性能好等等，这些特征使得真空特别是高真空技术已发展成为先进技术之一，目前，在高能粒子加速器、大规模集成电路、表面科学、薄膜技术、材料工艺和空间技术等科学研究的领域中占有重要地位，被广泛应用于工业生产，尤其是在电子工业的生产中起着关键的作用。
一、真空物理基础 1． 真空的表征表征真空状态下气体稀薄程度的物理量称为真空度。
单位体积内的分子数越少，气体压强越低，真空度越高，习惯上采用气体压强高低来表征真空度。
在SI 单位制中，压强单位为 牛顿/米2（N/m 2）：1牛顿/米2=1帕斯卡（Pascal ）， （7-0-1）帕斯卡简称为帕（Pa ），由于历史原因，物理实验中常用单位还有托（Torr ）。
1标准大气压（atm ）=1.0135×105(Pa)，1托=1/760标准大气压 （7-0-2） 1托=133.3帕斯卡习惯采用的毫米汞柱（mmHg ）压强单位与托近似相等（1mmHg=1.00000014）托。
各种单位之间的换算关系见附表7-1 2． 真空的划分真空度的划分（不同程度的低气压空间的划分）与真空技术的发展历史密不可分。
通常可分为：低真空（Pa 10~1013-）、高真空（Pa 10~1061--）、超高真空（Pa 10~10-10-6）和极高真空（低于Pa 1010-）。
超高真空物理与技术基础3
超⾼真空物理与技术基础3第三章真空状态下的⽓体流动（初稿）3.1⽓体流动过程的基本物理量在实际真空技术应⽤过程中，我们所⾯临的第⼀个问题就是把⽓体从真空室排去，所以对⽓体在系统中的流动性要有所了解。
⽽真空系统的许多排⽓泵，不同⼝径的连接管道，以及各种形状的真空室都会影响到系统的排⽓速率。
因此研究分析⽓体通过⼩孔和管道的流动，是我们设计真空系统的主要课题之⼀，同时也是⼀些真空实验的理论根据。
本章我们将介绍⽓体流动的特性，以及如何计算⽓体流动速度和流导。
⾸先我们了解⼀些⽓体流动过程的基本物理量。
3.1.1 体积流率当管道⾥的⽓体两端存在压⼒差时，便会出现⽓体⾃动从压⼒⾼的⼀端向压⼒低的⼀端扩散,便形成了⽓体流动。
为了计算了解管道中流过的⽓体的多少，通常使⽤⽓体的质量流率Sm （公⽄/秒）和摩尔流率Sr （摩尔/秒），即单位时间内通过管道某⼀给定截⾯的⽓体质量和⽓体摩尔数。
实际⼯作中由于这两种流率不便测量⽽采⽤体积流率。
体积流率是指在给定温度、压⼒下，单位时间内流过管道或设备的任⼀截⾯上的⽓体体积。
体积流量通常⽤符号Sv 表⽰，单位为：⽶3/秒。
在⽓体压⼒为P 的截⾯上，Sv 与Sm 和Sr 的关系为：v m S TR M P S = 和 v r S T R P S ??=式中：M——⽓体摩尔质量kg/mol；R——普适⽓体常数，R＝8.31J/mol ·K T——温度℃；P——压强Pa；3.1.2⽓体流量什么是⽓体流量？在单位时间内通过给定截⾯的⽓体数量，称之为⽓体流量，⽤Q 表⽰。
由于⽓体是可以压缩的流体，所以流过的⽓体不仅和流过的体积有关，⽽且和其压强即⽓体密度n=N/V 有关,⽓体流量也可以认为是单位时间内，⽓体分⼦N 以流率s 通过给定管道横截⾯A 的分⼦数量。
这种关系定义在真空科学与技术领域也可以⽤泵的抽速表⽰：n S n v A N ?=??= v A S ?≡ (m 3/s)根据流量定义，泵对真空系统的抽⽓速率也可以⽤真空泵的抽速来衡量。
第1章 真空中的静电场1 静电的基本现象和基本规律
（3）上面给出的库仑定律只适用于惯性体系中静止的 点电荷，存在相对运动时库仑定律要作小小的修改。 (4) 库仑定律是电学中的基本定律是整个电学的基础。 关于库仑定律的发现，请同学们参考有关书籍，阅后必然 受益不浅，很有启发。 (5) 平方反比律与光子静止质量是否为零有着密切关 系。
提问
通过回顾库仑定律的发现，你有什么体会？
k=
1 4πε 0
= 8.99 × 10 9 Nm 2 C − 2 ≈ 9.0 × 10 9 Nm 2 / C 2
在计算过程中，一般都将k当作一个常数处理，不是 这种形式也应凑成这种形式。 1 9 2 2
k= 4πε 0 ≈ 9.0 × 10 Nm / C
在CGSE制中, k=1。CGSE制仍然有人用，因为其公 式非常简洁。
下面看一个核反应的例子，β衰变的一般反应式：
A z
XN= Y
A z +1 N −1
+ e +ν e
−
其中 A：质量； Z：原子序数即电荷数； N：中子数； ν e ： 为反电子中微子。
根据物质的电结构，我们可以更好地理解和掌握电 荷守恒定律。众所周知：
⎧ ⎧电子 ⎪ ⎪ ⎪原子⎨ 物质⎨ ⎪原子核 ⎪ ⎩ ⎪分子 ⎩ (带负电) ⎧质子 (带正电) ⎨ ⎩中子 (不带电)
(2) 库仑定律与万有引力定律
GM 1 M 2 0 F引 = − r12 2 r12
G：万有引力常数，数值 为6.67 ×10-11牛顿米2/千克2 或6.67×10-8达因厘米2/克2 “-”表示吸引力，在 F引 的 作用下，趋向于使r12减小 （因为M1和M2恒大于零）。
两者的相同之处在于：都是长程力，具有平方反比 的特征，且都满足牛顿第三定律； 不同之处： (a) 电荷有正有负，所以存在引力和斥力， 而质量恒 为正，只有引力而没有斥力。 (b) 静电力可以屏蔽，而万有引力却无法屏蔽。 (c) 静电力远大于引力。以电子和质子间的库仑力和 万有引力为例，可以得到F电/F引～2.3×1039，因此通常在 讨论原子、固体、液体的结构及化学作用时，只需考虑库 仑力，而忽略引力。
真空技术基础
不需要油作为介质，又称为无油泵
1.3 真空的获得－抽真空
极限真空（极限压强Pu）和抽气速率
——是表示真空泵性能的两个重要参数。极限压强是该系 统所能达到的最低压强；抽气速率是在规定压强下单位时间 抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。
理论上，一个系统所能达到的真空度：
Q V dP P Pu i S S dt
旋片式机械泵结构示意图和工作原理图
1.3 真空的获得－抽真空
玻－马洛特定律
V P P0 1 V V n次循环后
V Pn P0 V V
n
P0 V lg mt lg 1 Pi V Kt
lgP0/Pi
Pn达到极限值？
体分子的扩散系数；v油蒸气在喷口处的速度 扩散泵的实际抽速：
S (3 ~ 4)d
2
d是进气口直径
泵油要求：
化学稳定性好（无毒、无腐蚀） 热稳定性好（高温不分解） 抗氧化 较低的饱和蒸气压（小于等于10-4Pa）
工作时应有尽可能高的蒸气压
无任何阻挡的话，返油率高达10-3mg/cm2· s
1.3 真空的获得－抽真空
赫兹－克努曾公式
va 8k T 8 RT m M
P 2mk T
温度一定时, P
稀薄气体的基本性质
示例
气体分子密度
P n 7.2 10 (m-3 ) T
22
标准状态： P = 105Pa，n = 2.461019分子/cm3
P = 1.3 10-8Pa，n = 3.24105分子/cm3
1 1 nva 3.24 10 5 8.5 10 4 6.9 10 9 分子 / cm2 s 4 4
第一章 真空技术基础
几个基本概念：
• 真空：气体分子数量低于大气压状态的空间。但不是完全空 的。 • 真空术语： 本底真空度：全密封真空腔体内抽空时的气压。 工作真空度：实验或工艺过程中所必需的气体压力。 极限真空度：没有漏气和内壁脱气条件下，真空泵所能达 到的最低气压。 真空规：测量真空中气压的仪表或传感器。 真空度单位：气压的单位。 真空度就是真空中的气压。真空度的测量就是气压的测量。
1mba 100 1atm
1.013×105 760
二、真空区域的划分
1105 ~ 1102 Pa
粗真空
低真空 高真空 超高真空
1102 ~ 1101 Pa
粘滞流
1101 ~ 1106 Pa
110 Pa
11010 Pa
6
粘滞流
分子流
极高真空
分子流
三、固体对气体的吸附及气体的脱附
• 缺点：泵内油蒸汽的回流会直接造成真空 系统的污染。 • 应用领域：真空镀膜、真空炉、电子、化 工、航空、航天、冶金、材料、生物医药 、原子能、宇宙探测等领域。
思考：
1. 扩散泵能否单独使用，即从大气开始抽真空？为什么？ 2. 如果使用扩散泵时，忘记开冷却水，结果会怎样？
附：钛升华泵
加热钛靶蒸发生成钛膜，并与气体发生反应 工作范围 10-8-10-11 Torr 价格便宜，可靠
油扩散泵的结构如示意图
• 泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电 炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导 流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口 外面的压强较油蒸汽压低，于是便形成一股向出口方 向运动的高速蒸汽流，使之具有很好的运载气体分子 的能力。油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子 量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己 慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往 下飞去．并且，在射流的界面内，气体分子不可能长 期滞留，因而界面内气体分子浓度较小．由于这个浓 度差，使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流 而被逐级带至出口，并被前级泵抽走．慢下来的蒸汽 流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被 冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用．冷阱 的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。
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真空物理学基础
真空物理学是研究真空状态下物质行为的学科，它涵盖了许多重要概念和原理。
本文将从真空定义、真空度量、真空的应用以及真空技术的发展等方面来探讨真空物理学的基础知识。
真空的定义与真空度量
真空是指在一定的空间中，没有气体分子和其他物质存在的状态。
真空的产生可以通过抽气装置将气体从封闭的容器中排除或者使用吸附剂吸附气体分子来实现。
真空的度量可以通过不同的指标来衡量。
最常见的度量单位是帕斯卡（Pa），也可以使用托（Torr）或毫巴（mbar）等。
此外，还有其他度量单位，如微米汞柱（μmHg）和毫米水柱（mmH2O）。
真空的应用
真空物理学在许多领域和行业中有着广泛的应用。
以下是一些主要的应用领域：
1. 电子技术：真空管和半导体器件的制造过程中需要使用高真空环境，以确保器件的性能和稳定性。
2. 材料科学：将材料置于真空中，可以改变其性能和特性，例如在高真空环境下进行热处理可以提高材料的硬度和强度。
3. 化学实验：在一些化学实验中，需要排除氧气等气体的干扰，以保证实验结果的准确性。
4. 太空科学：真空物理学对于深空探测和航空航天技术的发展至关
重要，因为在太空中存在着极低的气体密度。
真空技术的发展
随着科技的进步，真空技术也得到了长足的发展。
以下是几个重要
的真空技术：
1. 抽气技术：通过使用泵类设备，将封闭容器内的气体抽出，使其
达到所需真空度。
常见的泵类设备包括机械泵、分子泵和扩散泵等。
2. 密封技术：在高真空系统中，为了防止气体泄漏，需要采用可靠
的密封技术，如金属密封、真空密封环和磁力密封等。
3. 真空计量技术：为了准确地测量真空度，需要使用各种真空计量
设备，如热电阻计、热电离计和质谱仪等。
4. 真空薄膜技术：通过在材料表面沉积一层薄膜，可以改变其光学、电学和力学性质，从而实现特定的功能，如防反射涂层和导电薄膜等。
结语
真空物理学作为一门重要的学科，不仅对于科学研究具有重要意义，而且在工业生产和技术应用中也发挥着重要作用。
通过深入了解真空
的定义、度量、应用和相关技术的发展，可以更好地理解真空物理学
的基础知识，并将其应用于实际工作和研究中。