大气、真空与平均自由程.doc

一、大气、真空与平均自由程（一）：大气大气是一种看不见、摸不着，无色，无味的混合气体，因为地球引力所吸引，地球表面上下层大气所受到的压缩最大，因此这一层大气的密度也就最大，相反，离开地球表面越高，大气的密度也就越小标准大气的温度、压力、密度与大气层高度的关系如下表所示：高度（公里丿温度（°C）压力（托）密度（克/厘米3）0157601.23X10-818.5674.11.11X10-822.0596.31.01X10-83-4.5526.09.09X10-44-11462.58.19X10-45-17.5405.47.36X10-46-24.5354.26.60X10-47-30.5308.35.90X10-48-36.9267.45.26X10-4943.4231.04.67X10-410-49.9198.84.14X10-415-56.590.81.95X10-42056.548.58.89X10-530-46.68.981.84X10-540-22.82.154.00X10-650-2.50.5891.03X10-660-17.40.1683.06X10-770-53.54.14X10-23.75X10-880-92.57.78X10-32.00X10-890-92.51.23X10-33.17X10-9100-63.12.26X10-45.0X10-101607492.27X10-61.28X10-1222010216.4X10-72.0X10-1330011591.4X10-73.6X10-1440012143.0X10-86.5X10-1550012268.2X10-91.6X10-1560012332.6X10-94.6X10-1670012343.9X10-101.5X10-16大气不但有一定的重量，而且它又是由各种不同气体组成的，在地面上，标准大气的成份和它的分压强如下表所示。

成份分子量容积百分比重量百分比分压强（托丿N（氮）228.013478.08475.520593.44O（氧）230.998820.94823.142159.20Ar（氩）39.9450.9341.2887.10CO（二氧化碳）244.009953.14X10-24.8X10-22.4X10-1*Ne（氖）20.1831.82X10-31.3X10-31.4X10-2He（氦）4.00265.24X10-46.9X10-34.0X10-3Kr（氪）83.801.14X10-43.3X10-48.7X10-4Xe（氙）131.308.7X10-63.9X10-36.6X10-5H（氢）22.015945X10-53.5X10-64X10-4CH（甲烷）416.043032X10-41X10-41.5X10-3NO（氧化二氮）244.01235X10-58X10-44X10-3O（臭氧）347.9982夏：0〜7X10-60~1X10-50〜5X10-5*冬：0〜2X10-60〜0.3X10-50〜1.5X10-5*SO（二氧化硫）264.06280〜1X10-40〜2X10-40〜8X10-4*NO（二氧化氮）246.00550〜2X10-60〜3X10-60〜1.5X10-5*NH（氨）317.030610〜痕迹量0〜痕迹量0〜痕迹量CO（一氧化碳）28.010550〜痕迹量0〜痕迹量0〜痕迹量I（碘）2253.80880~1X10-60~9X10-50〜8X10-6*在离地面较远的高空，稀薄的气体很容易电离。

雷电自然现象的研究使人类对气体放电的认识产生一个飞跃，英国物理学家Appleton（阿普莱顿）用实验证实了太空电离层的存在他因此而获得了诺贝尔奖金研究表明，电离层是由电子、正负离子和中性粒子为主要成份所组成的等离子体地球是一个大磁体，因此电离层中的等离子体的性质会受到地球磁场的巨大影响，由于地球的磁力线向两极会聚，使两极附近的带电粒子密度增加，使这里的稀薄气体发光电离这便是产生极光的原因之一现代科学理论认为，极光同太阳活动、地球磁场及高空空气密度有关我们知道，太阳不断地进行核反应，有大量的带电粒子进入宇宙空间，这些粒子以数百公里／秒的速度向地球飞来在地球磁力的作用下，这些粒子聚集在南北极附近，使稀薄的大气层电离，辐射出明亮的辉光这就是极光二）：真空的涵义真空一词来源于古希腊文中它的意思是“虚无”但物质的存在、物质的运动是绝对的，而物质量的多少，运动的形式和激烈的程度则是相对的，因此，真空也必然是相对存在的真空是相对于大气而存在的，在真空科学里，真空的定义是：真空是指在给定空间内气压低于一个标准大气压力的气体状态在该空间内气体分子密度低于该地区大气压的气体分子密度分子之间或分子与其他粒子（如电子，离子）之间的碰撞就不那么频繁，分子在一定时间内碰撞于表面（比如器壁）上的次数亦相对减少。

19世纪初，真空技水取得重大进展，可以将容器内的压强抽到0.1托左右科学家得以在实验室内进行气体放电实验自然界中，存在着自然真空和人造真空两种真空状态天然真空是自然界本来就存在的一种自然现象，如人们深呼吸时可以使体内压强降到300mmHg,各种动物呼吸也是利用体内压强降低（真空）来实现的自然真空在辽阔的宇宙空间中比比皆是从海平面（760Torr）开始，高度每升高15公理，大气压强降低约一个数量级，直到高度为90公理处的压强为1.3x10-1Pa,在高度为400公理处的压强为1.3Xio_6Pa,在高度为1000公理处的压强为1.3Xio_8Pa,在高度为10000公理处的压强为1.3X10-11Pa珠穆朗玛峰顶的压强为221mmHg,目前世界上人造地球卫星最低高度为80公理；真空度约为7x10-3mmHg,最高高度（约36000公里丿的同步轨道卫星所处环境的真空度约为10-14mmHg,这种高度随压强的变化关系可用下式表示：-mg-hp，pekT0p高度为h处的压强；P0海平面压强；高度为h处的空间绝对温度（K）；k波尔兹曼常数（J/K）；空间粒子平均质量（Kg）；g中力加速度（kg/s2）。

在高度为200〜1000公理处的气体主要成份为原子态的氮和氧,在高度为1500公理以上的气体主要成份为原子态的氢、质子和电子浩瀚无垠的太空就是一个无菌、高真空、高洁净、微重力的天然真空环境,在这种特殊的环境中,可以完成地面上无法做到的事情,如生产出高纯度的生物药品特殊的合金材料、高质量的巨型单晶、高透明度的磁性光学玻璃、高纯通信光纤及理想圆度的滚珠、高温涡轮叶片等人造真空环境是利用各种各样的抽气手段在不同的容器、器件中人为形成的,它们已广泛应用于科学研究、工业化生产等领域,如：保温瓶胆；电灯炮；激光管；真空镀膜机；电子显微镜中的真空都是用真空泵抽气而获得的,属于人造真空真空度的高低用气体的压强来描述,压强愈低,气态空间分子数越少，表示真空度愈高在真空技术中常用的压强单位有帕，托和毫米汞柱等，它们之间的换算关系如下表所示：A7AH巾P/|\托(Torr)微巴(uba)物理大气压（ATM）工程气压（Kg/cm2）1帕=1牛顿/米217.5006X10-3109.869X10-61.0197X10-51托=1/760国际标准大气压1.3332X10211.3332X1031.3158X10-31.3595X10-31微巴=1达因/厘米210-17.5006X10-419.8692X10-71.0197X10-61物理大气压=1013250达因/厘米21.0133X1057601.0133x10611.03321工程大气压=1公斤/厘米29.8067X104735.569.8067X1059.6784X10-11过去，真空科学领域中最常用的单位是“毫米水银柱”，为了方便起见，人们常常用“托”字来表示，以纪念托利拆里这位著名的科学家。

在数值上1托的压力值大致与1毫米水银柱的高度所产生的压力值相等因为纯水银在0°C时的比重为13.5951克/厘米3,所以在一平方厘米的表面上，1毫米水银柱所施加的力，就等于13.5951克力这里应当说明的是，测量稀薄气体状态的量从本质上来看，最好是采用气体分子密度，但是这个物理量在实际应用上是很不方便的B、真空区域的划分有了度量真空度的单位，就可以定量的表示真空度的高低了但是，在习惯上当人们只需要定性地指出真空状态的大致情况时，采用划分真空区域的方法是比较方便的目前，划分真空区域的方法较多，主要考虑的因素是真空在技术上的应用特点、真空获得设备和真空检测仪表的有效适用范围，以及真空的物理特性等几个方面但是，我们认为，在真空状态中，真空度越高，气体状态越稀薄，气体分子的物理特性就逐渐发生变化，因此把气体分子数的量变直到引起真空性质的质变的过程，作为划分真空区域的依据，是比较合适的根据我国所制订的国标GB3163的规真空区域大致划分如下：低真空区域105~102Pa（760~1托）中真空区域102~10-1Pa（1~10-3托）高真空区域10-1~10-5Pa(10-3~10-7托)超高真空区域〈10-5Pa（〈10-7托）在（760〜1托丿的低（包括粗真空区域丿区间，平均自由程入vv容器线性尺寸d,分子间相互碰撞为主，气流状态主要是沾滞流；平均吸附时间€<<气体分子飞行d距离的时间匕，气体分子空间飞行d为主，主要理论基础是气体分子运动论；气体分子密度n很大，服从统计计规律。

处于低真空区域（包括粗真空区域）下的气体状态，与常压下气体状态相比，只有分子数目由多变少的量的变化在这个压强区域内，由于气体宏观量（如密度、温度等）在气体空间中分布的不够均匀，由于分子的热运动，分子将把这个量由较大的地方，迁移到较小的地方去，以便最终达到均匀的分布但是，在还没有达到均匀分布之前的气体状态虽然处于变化之中，但还没有引起质的变化同大气状态一样，这时气体的输运量仍与压力无关但是，尽管如此，分子数目减少这种量变过程对生产过程也起了极其重要的作用例如利用一面是大气，另一面是真空所造成的压力差或吸引力来做为巨大的能源；把钢水置于真空之下进行浇注或处理，借以减少钢中有害气体的含量和杂质，从而提高钢的质量；把食品或生物制品保存在真空容器里，借以减少有害气体对它侵蚀而延长保存时间；如果在低真空里进行浓缩结晶，那就可以非常方便地制取盐、糖；如果把低压环境下能使液体容易挥发的道理用于石油、化工，就可以通。