吃鹅腿之前，你最好了解一下关于真空的知识

提到真空，你最先想到什么？

给朋友寄鹅腿要用真空包装？

不不，换个思路，你还能想到什么？

是小学二年级就学过的“声音不能在真空中传播”，还是初中二年级学过的“托里拆利实验”，亦或是传说中的“马德堡半球实验”？

不管你想到的是什么，真空对于我们来说并不陌生。

如果你了解一下真空的定义，你就会惊奇的发现，真空一点也不神秘，你也经常跟它打交道。

真空的定义

“真空 (vacuum)”一词来自希腊语，意为“空的”，但是真空并不是空无所有的状态，即便是在银河系边缘也有大量物质分子存在。科学界对真空的普遍定义为：真空是指“压强低于一个大气压的气体状态”。

那么仔细想想，当我们喝牛奶的时候，喝口服液的时候，瓶子里的低气压状态是不是都可以称作“真空”呢？

更简单一点，用手堵住针管的一段，拉动活塞，针管里面就是真空状态。

不可思议？

没关系，我们先来看看真空发现的历史。

小课堂

早在 1643 年，意大利物理学家托里拆利（Torricelli）就做了一个著名的大气压实验 —— 托里拆利实验。

他在一段封闭的玻璃管中装满水银（Hg），然后将玻璃管倒扣在盛有水银的小槽中，玻璃管中的水银在重力作用下会下降，他发现，当水银柱高度下降到 760mm 时就不再下降，托里拆利认为玻璃管上端的空隙就是“真空”状态。同时这个实验也得出结论，一个标准大气压强约为 760mm 汞柱。

因为这个实验揭示了“真空”的存在，为了纪念托里拆利，“托（Torr）”也就成了衡量真空度的单位。

时间过得飞快，1654 年，德国物理学家、马德堡市的市长奥托・冯・格里克为了进一步验证大气压强的存在，做了著名的马德堡半球实验。

他把两个直径约为 50 厘米的金属半球合起来，把里面抽成真空，然后用八匹高头大马向相反的方向拉，可是无论如何也拉不开这两块半球。这个实验生动形象又极具感染力地证明了大气压强的存在，也让我们体会到真空的魅力。因为这个实验是在德国马德堡市进行的，因此被称为“马德堡半球实验”。

真空的单位及分类

那么根据托里拆利的实验，我们可以得出以下关系，

1 标准大气压 (atm)=760mmHg=760Torr

根据气体分子运动论，分子在永不停歇地做无规则运动，在运动中，分子之间会不断相互碰撞，或者时不时与容器壁碰撞，这些相互碰撞在统计意义上就产生了温度、压强等宏观现象。容器中分子数的多少可以用压强来衡量，而分子数的多少又反映了真空度的高低。因此真空度可以用压强来衡量。

真空与压强的关系为，真空度越高，压强越小；真空度越低，压强越大。正因为此，真空度的单位用的是压强单位。

一个标准大气压用帕斯卡（Pa）表示为

1atm=1.013×10⁵Pa

这样我们就得到不同真空单位之间的换算关系。

有了单位，我们就可以对真空度进行划分。国际上没有统一的划分标准，常用的划分是这样的，

• 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

那么有了这个标准，我们上面提到的针管中的真空以及托里拆利实验中的真空就都属于粗真空的范畴了。

那么实验室里常用的超高真空状态是怎么实现的呢？

这就涉及到了我们的核心内容 —— 真空泵。

抽真空的设备 —— 真空泵

实验室常用的真空泵有机械泵、涡轮分子泵、离子泵、钛升华泵、低温吸附泵、吸氢气泵几种，正是这些不同种类的泵一级级地抽，才能达到超高真空状态。

我们知道，空气是由大量的气体分子构成的，含量最高的是氮气、氧气，还有少量的二氧化碳、氢气、水蒸气、稀有气体之类的。

一个密闭容器中所含的气体分子越少，它的真空度就越高，因此我们抽真空的目的就是尽可能地减少腔体中气体分子的数目，这就是这些真空泵要做的事情。

这些真空泵按工作原理大致可以分为两类。一类是将气体不断吸入并排出体外的泵，例如机械泵、涡轮分子泵；一类是将气体分子吸附在内壁上的泵，例如钛升华泵、低温吸附泵、吸氢气泵。不管工作原理如何，这些泵的最终目的都是减少腔体内的气体分子数。

由于不同泵的构造不同，每种泵都有自己的工作区间，只有在一定的压强范围内才可以正常工作，否则就会损坏。不同泵的工作压强区间如下图所示。

从上图我们可以看出，要达到超高真空，只用一种泵是无法实现的，需要不同种类的泵接力，像极了我们做科研的过程，不是吗？团队合作。

在实验室，我们先用机械泵抽到粗真空，再打开分子泵抽到高真空，最后用离子泵或者钛升华泵抽到实验所需的真空状态。

小课堂

为什么实验室需要超高真空条件呢？

想象一下你变得跟一个分子一样大小，就像《蚁人》里面那样，你就会看到空气中 10²³ 量级的分子数，这些分子落在样品表面，就会把样品污染，无法探测样品表面的性质。

那么在超高真空的腔体中，究竟还有多少分子呢？我们来做一个简单的计算。

在统计力学课上我们学过，利用经典力学规律，把气体分子看成刚性小球，可以用统计的方法得出气体压强公式：

其中，n 为气体分子数密度，m 是分子质量，按照国际单位制，压强的单位为 Pa

根据能量均分定律，把每个气体分子看作质点（即简化为有质量的点），有三个振动自由度 x,y,z，每个自由度的平均能量为

其中，k=1.38×10^-23J / K，为玻尔兹曼常数。则，

这就得出了压强 P 和分子密度 n 以及温度 T 的关系。

如果我们在 500℃把真空抽到 5×10^-8Pa，即 T=773K，则

可以看出虽然我们已经抽到了超高真空，但是腔体内的分子数还是很多很多，这就是为什么我们要在超高真空条件下进行实验的原因。

讲了这么多，不知道你有没有想过，我们是如何知道腔体内的真空度有多高的呢？

度量真空的仪器 —— 真空计

是的，就像我们有温度计和湿度计一样，我们也有测量真空度的仪器 —— 真空计。

我们已经知道，真空度的高低是用压强大小来衡量的，因此，真空计也是通过测量压强的大小来反映真空度的。

真空计根据其工作原理大致可以分为两类：一类直接测量压强的大小，称为绝对真空计，例如 U 型真空计、压缩式真空计；一类是通过测量与压强有关的物理量，间接标定压强的数值，称为相对真空计，例如热传导真空计、电离真空计。在实验室常用的一般是相对真空计。

热传导真空计是一种测量低真空的真空计，顾名思义，就是利用热量变化来测量真空的仪器。它的原理就是将一根金属丝通电加热，由于气体分子的运动会带走一部分热量，因此达到热平衡时温度越高，就说明气体导走的热量越少，气体分子密度越小，也就是压强越低，真空度越高。

电离真空计是目前采用最广的真空计，是一种测量高真空的真空计，只有在真空抽到一定量级时才可以打开。它的工作原理为：具有足够能量的电子与气体分子碰撞，使气体分子电离，产生正离子和电子；电子在运动过程中与分子碰撞的次数正比于分子数密度，也即压强 P，因此产生的正离子数就正比于压强 P，可以通过测量正离子的多少来标定真空度的高低。

小结

如果你能看到这里，那么恭喜你，你已经对真空有了相当多的了解。

一句话总结一下，真空要一级一级抽，抽真空的仪器为真空泵，测量真空度实际是在测量压强，用的设备为真空计。

那么，在真空的海洋里饱餐一顿之后，也不要忘记你手中的鹅腿，你的胃还在等着饱餐一顿呢。

参考文献：

• [1] 赵宝升，《真空技术》，科学出版社

• [2] 郭方准，《实用真空技术》，大连理工大学出版社

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：阿白

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