真空技術(shù)中幾個(gè)重要的概念

日期：2025-12-06 11:30

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摘要：一個(gè)大氣壓下，空氣的分子密度n=2.7×1019個(gè)/cm3。空氣是混合氣體，其相對(duì)分子質(zhì)量由構(gòu)成的氣體分子按比例計(jì)算。氮?dú)獾南鄬?duì)分子質(zhì)量28.016，體積比78.1%;氧氣的相對(duì)分子質(zhì)量32，體積比20.93%;氬氣的相對(duì)分子質(zhì)量39.944，體積比0.933%。相對(duì)分子質(zhì)量的平均值=(28.016×78.1+32×20.93+39.944×0.933)/(78.1+20.93+0.933)=28.96 由氣體分子運(yùn)動(dòng)論，壓強(qiáng)的計(jì)算式為p=nkT 采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位時(shí)(壓強(qiáng)Pa，體積 m3)，玻爾茲曼常數(shù)k為1.38×10-23 J/K。氣體分子的密度為n=p/(kT) (1-4) 壓強(qiáng)為1Pa，溫度為27℃時(shí)，氣體分子的密度n為...

一個(gè)大氣壓下，空氣的分子密度n=2.7×1019個(gè)/cm3。空氣是混合氣體，其相對(duì)分子質(zhì)量由構(gòu)成的氣體分子按比例計(jì)算。氮?dú)獾南鄬?duì)分子質(zhì)量28.016，體積比78.1%;氧氣的相對(duì)分子質(zhì)量32，體積比20.93%;氬氣的相對(duì)分子質(zhì)量39.944，體積比0.933%。相對(duì)分子質(zhì)量的平均值=(28.016×78.1+32×20.93+39.944×0.933)/(78.1+20.93+0.933)=28.96
由氣體分子運(yùn)動(dòng)論，壓強(qiáng)的計(jì)算式為p=nkT 采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位時(shí)(壓強(qiáng)Pa，體積 m3)，玻爾茲曼常數(shù)k為1.38×10-23 J/K。
氣體分子的密度為n=p/(kT) (1-4) 壓強(qiáng)為1Pa，溫度為27℃時(shí)，氣體分子的密度n為n=1/(1.38×10-23×(273+27))=2.4×1020個(gè)/m3 因此，即使真空度達(dá)到10-9 Pa的極高真空狀態(tài)，每立方米的空間內(nèi)仍有1011個(gè)氣體分子存在。

1、氣體分子的平均自由程
氣體是由大量的分子構(gòu)成的，0℃一個(gè)大氣壓的情況下，22.4L的空間里有1摩爾(6.02×1023個(gè))分子。這些分子在室溫下以500～1500m/s的速度運(yùn)動(dòng)和其他分子碰撞后，改變運(yùn)動(dòng)方向和速度，之后再和另外的分子碰撞。兩次碰撞之間的飛行距離，稱之為平均自由程。平均自由程λ[m]、壓強(qiáng)p[Pa]、溫度T[K]以及分子的直徑D[m]之間的關(guān)系為λ=3.11×10-24 T/pD2(1-5)因此，氣體分子的平均自由程與壓強(qiáng)成反比例、與溫度成正比例、與分子直徑的2次方成反比例關(guān)系。溫度為25℃的空氣，壓強(qiáng)和分子平均自由程的實(shí)際數(shù)據(jù)，1Pa為7mm、10-1 Pa為7cm、10-2Pa為70cm、10-3 Pa為7m、10-4 Pa為70m。記住這些數(shù)字，對(duì)真空度的感覺(jué)能更直觀一些。

2、氣體分子的入射頻率
氣體分子在單位時(shí)間和單位面積內(nèi)碰撞固體表面的數(shù)量稱之為入射頻率。入射頻率r和壓強(qiáng)p[Pa]、氣體相對(duì)分子質(zhì)量Mr、溫度T[K]之間的關(guān)系表示為 r=2.6×10-24 p/(MrT)1/2[個(gè)/(m2·s)] (1-6) 即入射頻率和壓強(qiáng)成正比例、和氣體相對(duì)分子質(zhì)量平方根及溫度的平方根成反比例關(guān)系。在真空度為10-4 Pa的情況下，25℃氧分子的入射頻率是2.72×1018 個(gè)/(m2·s)。排列于固體表面的原子數(shù)大約是1019 個(gè)/m2，只要幾秒鐘的時(shí)間，表面所有的原子都會(huì)受到氧分子的碰撞。

如果氣體分子的平均自由程和容器的尺寸相同或更長(zhǎng)，則氣體分子和容器壁碰撞的次數(shù)要比氣體分子之間的碰撞次數(shù)要多，這種狀態(tài)被稱為分子流(圖1.3(a))。如果平均自由程比較短，氣體分子之間的碰撞次數(shù)比氣體分子和容器壁的碰撞次數(shù)多，這種狀態(tài)被稱為黏性流(圖1.3(b))。黏性流的氣體分子在管路中被排出時(shí)，中心軸的流速*大，靠近管壁的流速逐漸減小。針對(duì)分子流或黏性流，獲得真空時(shí)要選擇不同類型的真空泵，這在以后真空泵一節(jié)中將會(huì)詳細(xì)介紹。

圖1.3　分子流和黏性流的示意圖

3、真空中的熱傳導(dǎo)
空間中兩個(gè)位置如果存在溫度差，則會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)。氣體分子為黏性流的情況，壓強(qiáng)變化后，傳遞熱量的分子密度和分子的平均自由程也發(fā)生變化。由于分子的平均自由程和分子密度對(duì)熱傳導(dǎo)的影響起著相反的作用，因此，對(duì)黏性流來(lái)講，氣體對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)和壓強(qiáng)的關(guān)系可忽略不計(jì)。
氣體分子為分子流的情況，如果氣體分子的平均自由程比真空兩側(cè)間距還長(zhǎng)，獲得熱能的氣體分子將直接穿過(guò)真空而運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)。因此，通過(guò)氣體分子傳遞的熱量和氣體的分子密度有關(guān)。氣體的分子密度和壓強(qiáng)成正比例，所以氣體分子傳遞的熱量和壓強(qiáng)成正比例。但是，處于分子流的分子密度非常低，實(shí)際的熱傳導(dǎo)也可忽略。

對(duì)真空環(huán)境來(lái)說(shuō)，分子流狀態(tài)的熱傳導(dǎo)主要是輻射。在真空容器中進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)時(shí)，為了提高薄膜質(zhì)量，通常要對(duì)襯底進(jìn)行加熱，加熱主要就是利用熱輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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