表面工程技术真空技术.doc
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§2 真空技术引言现代科学技术发展在很大程度上得益于先进、新型材料的制备而在很多情况下，先进材料的制备、甚至材料加工，都需要在真空条件下进行这主要是可以避免外界环境气体、杂质的掺入所带来的成分、结构上的缺陷，从而引起性能的下降而表面工程技术在很多方面都涉及到真空环境§2.1 真空基础一、 真空定义真空：低于一个标准大气压的气体空间真空特性：真空是相对的、不存在绝对的真空，即在任何真空状态下都存在着气体分子，不可能存在没有物质的绝对真空真空在英文中为Vacuum，古希腊文，是虚无的意思根据真空的定义，真空状态与气压有关，而气压是由于大量气体分子频繁撞击而引起的一种宏观上的平均效应在温度不变时，特定空间的气压与其中的气体分子数或物质的量成正比：↔因此，同正常的大气状态相比，真空意味着单位体积内的气体分子数比较少，分子撞击的程度（或概率）减少，因此压强降低正是因为这样，真空可以提供一个比较干净的环境二、真空的度量——真空度真空度：是对气体稀薄程度的一种客观度量，可以用气体的压强、分子数密度、平均自由程等来描述在真空行业中通常是用气体的压强来表示但真空度和压强是两个概念，气体压强低表示真空度高、气体压强高表示真空度低。
真空的单位（与压强单位相同）：（1）在国际标准单位制中的单位：Pa（Pascal，帕斯卡），1Pa＝1N/m2（2）工程中也常用：Torr（Torri Celli，托里拆利），1Torr＝1mmHg=1/760atm.常用真空（压强）单位换算常温下不同真空度时的气体分子数密度常温下气体分子在每秒钟内碰撞到1cm2面积上的个数常温下气体分子平均自由程与真空度的关系三、真空区域的划分粗真空；低真空；高真空；超高真空（1）粗真空：压强P：760～1Torr（105～102Pa）；分子数密度n：1019～1016个/cm3；分子平均自由程很短λ：10-8～10-3cm，λ<
4）超高真空：P：<10-8Torr（<10-6Pa）；n：<108个/cm3；λ：>105cm，λ>>d特点：ü 分子间碰撞极少、分子主要与容器壁相撞、气体分子在固体表面上以吸附停留为主ü 超高真空主要用于获得纯净气体和纯净固体表面常用于表面分析，如透射电镜等四、真空的应用真空技术已经广泛用于工业生产、科学研究和高新技术产业，材料、电子元件和半导体集成电路的制备尤其与真空技术有着密切的关系§2.2 稀薄气体的基本性质根据真空的定义，可以知道真空空间的气体为稀薄气体要研究真空的性质，就要研究稀薄气体的性质，即稀薄气体分子的运动规律及特性大多数稀薄气体，可以等效为理想气体，用理想气体的气体分子运动论进行描述这是研究真空的获得、真空下气体与固体表面的作用（吸附、解吸等）、固体放气、气体的渗透、气体在真空管道中的流动等与真空有关的物理想象的理论基础一、定义稀薄气体：在真空技术中所遇到的气体大都是稀薄气体，其气体分子所占空间与气体分子可到达的空间相比要少的多，可以忽略不计① 分子可以假设为弹性小球；② 分子间的作用力仅限于弹性碰撞，即除了碰撞的瞬间分子间无相互作用力，分子处于自由运动状态稀薄气体的性质与理想气体的相似，可用理想气体状态方程来描述。
二、理想气体分子体积与气体体积相比可以忽略不计；分子之间没有相互吸引力，势能为0；分子为弹性小球，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞为弹性碰撞，不造成动能损失1、理想气体状态方程—克拉伯龙方程（热力学原理）m：气体质量；M：气体摩尔质量；R：气体普适常数；P、V、T：气体的压强、体积、绝对温度，为状态参数n：气体分子数密度；k：波尔兹曼常数推导：N0：阿佛加德罗常数（6.02×1023）；m：单个气体分子质量；N：质量为m的气体的分子数则：，，2、理想气体三定律（经验定律）波义尔—马略特定律恒温下，一定质量的气体的压强与体积的乘积为常数 PV＝C → P1V1＝P2V2即，恒温下一定质量的气体的压强与体积成反比盖·吕萨克定律恒定压强下，一定质量的气体的体积与绝对温度成正比 V＝CT → V1/V2＝T1/T2即，恒压下一定质量的气体的体积随温度线性增大查理定律恒定体积下，一定质量的气体的压强与绝对温度成正比 P＝CT → P1/P2＝T1/T2即，恒容下一定质量的气体的压强随温度线性增大。
在任何情况下都严格遵守以上三定律的气体称为理想气体真实气体在温度较高（>500K）,压强较小的情况下一般可当作理想气体此外还有两个重要的定律：道尔顿分压定律容器中的气体由互相不发生化学反应的不同成分所组成，各成分气体的压强为P1、P2、……Pk，混合气体的体积为V，总压强为P，则有：即，互不发生化学反应的混合气体的总压强等于各成分气体的分压强之和阿佛加德罗定律等体积的任何种类气体，在相同温度及相同压力下均有相同的分子数在相同温度及相同压力下，相同分子数目的不同种类气体占据相同的体积把1mol任何气体的分子数目NA叫做阿佛加德罗数，NA=6.022×1023mol-1在标准状态下（P0=1.01325×105Pa，T0=0℃），1mol任何气体的体积V0称为摩尔体积V0=22.4 L/mol三、气体分子运动论的一些重要结论（统计物理学原理）1、气体分子的速率分布——麦克斯韦速率分布函数①速率分布函数N：一定量气体的分子总数；dN：速率在υ～υ＋dυ间的气体分子数量则dN/N表示速率在υ～υ＋dυ间的气体分子数量占总数的百分比在给定速率υ的附近，若所取间隔dυ越大则分布在区间υ～υ+dυ中的分子数越多、dN/N就越大，当dυ足够小时即可认为dN/N与dυ成正比。
即：f(υ)称为气体分子的速率分布函数定义：速率分布函数：a)分布在υ附近单位速率间隔内的分子数占总分子数的百分比b)每一个分子的速率在υ附近的单位速率间隔内的概率（即概率密度）f(υ)满足关系式：称为速率分布函数的归一化条件若全部分子的速率处于0～∞之间则分布在υ1～υ2(υ1<υ2)之间的分子数ΔN占总分子数的百分比为：麦克斯韦和波尔兹曼从理论上确定了气体分子安速率分布的统计规律在平衡状态下，理想气体的速率分布函数为：即，麦克斯韦速率分布函数其中m为气体分子质量，是气体分子的动能，由于理想气体分子间相互作用力可被忽略，所以不存在势能，全部能量中只有动能υp麦克斯韦速率分布曲线速率分布函数从坐标原点出发，经过一极大值后随速率的增大而减小速率很大和很小的气体分子所占百分比都很小，而大多数分子具有中等速率在υ1～υ2内,曲线下的面积表示速率分布在υ1～υ2之间的分子数与总分子数的比率整个曲线下的面积为1②几个重要的速率：a) 最概然速率υp与f(υ)的极大值对应的速率称为最概然速率，υp，表示在一定温度下气体分子最可能具有的速率由可得：υp主要是用来讨论速率分布温度的高低反映气体分子无规则运动的剧烈程度，T↑，气体中υ较小的分子减少，而υ较大的分子增多，υp变大，曲线峰值向右移动。
但曲线下面积不变b)平均速率大量分子速率的算术平均值叫分子的平均速率，，用来计算分子运动的平均距离由于dυ很小，所以近似认为分布于速率υ～υ＋dυ之间的dN个分子的速率是相同的，均为υ则dN个分子的速率之和为：则可得N个分子的平均速率为：相当于数学期望c) 方均根速率同理可得分子的方均根速率：用来计算平均动能在三个特征速率中，2、能量分布函数——麦克斯韦—波尔兹曼分布与速率分布函数相对应，有能量分布函数，称为麦克斯韦—波尔兹曼分布，是微观粒子的一种经典统计分布：称为波尔兹曼因子，在统计物理中经常出现3、平均自由程定义：气体分子在不断地进行无规则热运动，每个分子在连续两次碰撞之间自由飞行的路程称为自由程自由程的统计平均值称为平均自由程，λλ与分子数密度n及分子直径σ的平方成反比由n＝P/kT，得：表明气体分子的平均自由程与压强成反比，与温度成正比当气体种类及温度一定时：λP＝C（常数）对个别分子来说，自由程各不相同，有大有小，没有一定规律但在给定状态下，分子自由程遵循统计分布规律，所以平均自由程是一定的4、碰撞频率定义：单位时间碰撞（入射）在单位面积器壁上的气体分子数为碰撞频率（入射频率），v。
根据麦克斯韦速率分布函数，可求出碰撞频率为：上式称为赫兹—克努曾（Hertz—Knudsen）公式由，可得：§2.3气体与蒸气真空是通过对密闭容器进行抽气而获得的当压强减小时，真空周围的物质会往真空放气，从而影响到真空度物质的放气现象与其饱和蒸气压有关此外，真空中的气体分子不可避免地要和真空室壁等他固体表面发生相互作用这种作用主要有吸附及解吸现象、放气现象本节对物质的蒸发、凝结性质进行介绍一、临界温度气体变为液体的途径：降低温度，加大压强临界温度：当气体温度高于某一温度时，无论用多大的压强压缩气体都不能使其液化，这一温度称为临界温度温度高于临界温度的气态物质成为气体温度低于临界温度的气态物质成为蒸气二、饱和蒸汽压（1）定义：把固体或液体放入密闭容器中，在任何温度下都会蒸发，蒸发出来的蒸汽具有一定的压强，称为蒸汽压在一定的温度下，当单位时间内蒸发出来的分子数同凝结在器壁或回到蒸发物质的分子数相等时，即蒸发和凝结达到平衡，则称为蒸发达到饱和物质蒸发达到饱和时的蒸汽压称为饱和蒸汽压同一物质的饱和蒸汽压只与温度有关，随温度升高而增大2）理想气体：分子无体积，分子间无作用力，所以理想气体没有液化现象。
3）实际气体：物质处于气态，分子间距大（与分子体积相比）、相互间引力较小，主要体现出分子热运动产生的彼此分离的倾向；物质处于液态，分子间距减小、引力增大要使气体液化必须降低温度或增大压强降低温度——降低动能，减小分子热运动产生的彼此分离倾向加大压强——减小分子间距，使引力增大下图是CO2的液化等温曲线图（举例说明气体的液化过程）CO2的等温曲线1) T
