培訓(xùn)系列之2(孫麗娜)：真空工程理論基礎(chǔ)

第一章引論,1.1真空及其度量概念物理學(xué)上的真空：指沒有或者不計(jì)氣體分子和原子存在的物理空間。應(yīng)用物理與技術(shù)所討論的真空:低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓北緯45度海平面，海拔高度為零，空間溫度為27攝氏度的大氣壓.此時(shí)壓強(qiáng)為:分子密度為:2)真空發(fā)展史最早的真空獲得和應(yīng)用的實(shí)例可追溯到公元前6世紀(jì)，那時(shí)我國(guó)煉鐵技術(shù)已相當(dāng)進(jìn)步，為了融化鐵，在煉鐵爐上配有鼓風(fēng)設(shè)備。最初使用的叫“鞲”的皮囊鼓風(fēng)、“風(fēng)箱”鼓風(fēng)。風(fēng)箱的作用過程包括：負(fù)壓吸氣和增壓排氣。與現(xiàn)在的往復(fù)式活塞真空泵的作用原理基本相同。,典型的真空應(yīng)用的例子：中醫(yī)的拔火罐。利用了空氣的熱脹冷縮、蒸氣冷凝等物理現(xiàn)象來形成罐內(nèi)真空。真空技術(shù)開始的標(biāo)志1643年Torrcelli(意大利)托里拆利實(shí)驗(yàn)帕斯卡(法物理學(xué)家數(shù)學(xué)家)12歲發(fā)現(xiàn)三角形內(nèi)角和定理,24歲發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng).證明了大氣壓與高度有關(guān)1654年德國(guó)人葛利克發(fā)明了活塞真空泵馬德堡半球?qū)嶒?yàn)（為了證明大氣壓的巨大力量）真空技術(shù)最初的理論基礎(chǔ)1662年，英國(guó)人玻義耳發(fā)現(xiàn)了玻義耳定律；1738年瑞士人伯努利提出了氣體分子運(yùn)動(dòng)論。1905年德國(guó)人蓋得發(fā)明了機(jī)械泵、1906年皮拉尼發(fā)明了熱阻真空計(jì)、1913年和1915年蓋得先后發(fā)明了分子泵和擴(kuò)散泵、1916年貝克利發(fā)明了熱陰極電離計(jì)。真空技術(shù)迅速從低真空發(fā)展到高真空。1936年希克曼發(fā)明了分餾式油擴(kuò)散泵、1937年潘寧發(fā)明了冷陰極電離計(jì)，使高真空技術(shù)在獲得和測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面基本完善。,1940年以后真空技術(shù)在原子能方面得到廣泛應(yīng)用，并在真空冶金、真空鍍膜、真空冷凍干燥等方面得到擴(kuò)展。到1950年，真空范圍已提高到。貝阿德阿爾伯特在1950年發(fā)明了B-A規(guī)，為測(cè)量高真空創(chuàng)造了條件。1953年吸氣泵-離子泵的出現(xiàn)，使人們可以獲得清潔超高真空。從20世紀(jì)50年代到70年代的20多年里，真空技術(shù)融入了許多尖端科學(xué)技術(shù)并一起得到迅速發(fā)展。高能加速器、等離子體核聚變裝置、微電子學(xué)中的超大規(guī)模集成電路，特別是航天技術(shù)，促使真空技術(shù)發(fā)生新的飛躍。壓力范圍下降到現(xiàn)代真空科學(xué)與技術(shù)分成8個(gè)學(xué)科分支：真空技術(shù)、真空冶金、等離子體科學(xué)與技術(shù)、薄膜科學(xué)與技術(shù)、電子材料與加工工藝、表面科學(xué)、應(yīng)用表面科學(xué)、納米科學(xué)與技術(shù)真空的特點(diǎn):1稀3少氣體較為稀薄單位體積內(nèi)分子數(shù)目較少(分子密度小)分子之間或分子與其它質(zhì)點(diǎn)之間碰撞幾率減少分子在單位時(shí)間內(nèi)碰撞于單位表面積上的次數(shù)相對(duì)減少,分類:按成因分為自然真空和人為真空動(dòng)物人(肺):吸滿氣(740Torr)呼氣(300Torr)章魚:呼氣時(shí)可達(dá)100Torr蚊子:吸血原理,利用大氣壓與腹腔壓差造成真空在100公里以下,海拔每增高15公里,大氣壓遞減約1個(gè)數(shù)量級(jí).珠峰頂處的氣壓為32kPa，僅為海平面的三分之一飛機(jī):10km以上高空,200Torr左右,即26kPa真空度:氣體稀薄程度可用氣體壓強(qiáng)、分子密度、平均自由程和單分子層形成時(shí)間來描述。真空技術(shù)中通常用壓強(qiáng)來表示，壓強(qiáng)越低,真空度越高。低真空時(shí)，有時(shí)用“真空度百分?jǐn)?shù)”表示。,壓強(qiáng):TorrPabarmmHg,1.2真空區(qū)域的劃分及其物理特性(應(yīng)用)1）低真空（Pa）n稠密，和正常情況下無太大差別，氣體分子仍以雜亂無章的熱運(yùn)動(dòng)為主，氣體分子間的相互碰撞還十分頻繁，很難實(shí)現(xiàn)帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)，氣體流動(dòng)屬粘滯流態(tài)。應(yīng)用：得到壓力差1公斤/平方厘米（并不要求空間性質(zhì)有所改變）力學(xué)作用真空吸引和輸送（無網(wǎng)捕撈、吸魚機(jī)、搬運(yùn)）、真空成型、真空侵漬、拔火罐（起源于東晉公元300年左右）戈力特半球?qū)嶒?yàn),轉(zhuǎn)到,2）中真空（）氣體分子密度和常壓相比有很大下降，氧化程度降低真空冶煉（黑色金屬的真空熔煉、脫氣、澆鑄和熱處理）金屬材料內(nèi)氣泡、疏松減少，機(jī)械強(qiáng)度和性能大大增強(qiáng)氣體中的帶電粒子在電場(chǎng)作用下將產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)氣體放電真空電弧爐氣體的對(duì)流消失真空隔熱和絕緣、（保溫）保溫瓶液體的沸點(diǎn)降低冷凍升華：真空冷凍脫水、冬天涼衣服、真空冷凍干燥蔬菜、食品高速空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備（火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、F1賽車）低壓風(fēng)洞,3）高真空（）真空冶金、真空鍍膜、真空器件的生產(chǎn)分子密度更加降低，分子之間的碰撞次數(shù)很少，平均自由程很大，基本不存在氣體分子之間的能量交換，分子流動(dòng)完全呈現(xiàn)分子流態(tài)。帶電粒子的飛行方向不受干擾（顯像管），減少了氣體的電離?；瘜W(xué)反應(yīng)接近于零活潑金屬一定要在此狀態(tài)下冶煉Ti、Be、Zr、U、Ge、Mo、W良好的電、熱絕緣性能材料的沸點(diǎn)、熔點(diǎn)降低鋁空心鉭陰極蒸發(fā)離子鍍蒸鍍氮化鈦仿金薄膜,4）超高真空（）氣體分子是以固體表面的吸附為主；單分子層形成時(shí)間等于或大于在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量所用時(shí)間制備“清潔”表面；太空模擬室、可控?zé)岷司圩兊难芯俊⒈砻嫖锢肀砻婊瘜W(xué)的研究5）極高真空（）總結(jié)：真空區(qū)域的劃分原則真空的物理性質(zhì)低真空：力學(xué)性質(zhì)中真空：液體的沸點(diǎn)降低，氣體放電高真空：絕緣、絕熱、無氧化超高真空：獲得清潔表面極高真空：宇航、物理研究,真空區(qū)域的劃分原則真空獲得技術(shù)低真空：旋片泵、水環(huán)泵、滑閥泵中真空：羅茨泵、油增壓泵高真空：擴(kuò)散泵、分子泵超高真空：離子泵、升華泵真空區(qū)域的劃分原則真空測(cè)量技術(shù)低真空：液位式真空計(jì)、指針式真空表中真空：熱偶計(jì)、電阻計(jì)、薄膜規(guī)高真空：熱陰極電離計(jì)、冷陰極電離計(jì)超高真空：規(guī)極高真空：調(diào)制規(guī)、彎注規(guī),真空區(qū)域的劃分原則真空應(yīng)用技術(shù)真空應(yīng)用設(shè)備中（用戶自己定義，不規(guī)范）前級(jí)泵：低真空次級(jí)泵：高真空例如：感應(yīng)爐：油增壓泵（高）滑閥泵（低）,1.3真空技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域真空在輸運(yùn)、吸引、起吊及真空造型等設(shè)備中的應(yīng)用真空輸運(yùn)、吸引、起吊設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作、維護(hù)、運(yùn)輸，起吊吸引過程中無振動(dòng)，生產(chǎn)效率高，運(yùn)送易損壞物件安全可靠，對(duì)環(huán)境無污染等特點(diǎn)。吸魚、糧食、面粉、煤粉、煙草、水泥、泥漿、紙漿、粉狀礦物的輸運(yùn)水泥地板、機(jī)場(chǎng)及公路水泥道路的快速吸干車間起吊、機(jī)床夾具、玻璃裝運(yùn)吸乳、吸塵、吸痰、吸胸膜積水、吸原子彈爆炸所產(chǎn)生的輻射塵埃真空造型近年來在立體軍用地圖、盲人書籍、高級(jí)陶瓷、電冰箱洗衣機(jī)板件、玩具復(fù)制浮雕和文物中都有廣泛應(yīng)用化工、制糖、水泥等工業(yè)部門已開始大量采用連續(xù)真空過濾，很容易將黏度大的懸浮液利用壓力差的作用，通過微細(xì)篩孔將懸浮液中的液體與固體分離真空浸漬是先對(duì)片狀或纖維狀的疏松物質(zhì)進(jìn)行抽真空，再在液體中浸漬充填一些新的物質(zhì)的一種新型工藝,返回,真空在電真空器件中的應(yīng)用由于各種真空器件的工作原理是基于電場(chǎng)磁場(chǎng)來控制電子在空間的運(yùn)動(dòng)借以達(dá)到放大、振蕩、顯示圖象等目的。因此，避免電子對(duì)氣體分子間的碰撞，保證電子在空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，防止發(fā)射熱電子的陰極氧化中毒，把電子器件內(nèi)抽成所要求的不同真空度，保證電子器件正常工作。電真空工業(yè)中利用真空中電子束來進(jìn)行除氣、熔煉、區(qū)域提純、開槽切割、放射性同位素的蒸發(fā)難熔金屬的焊接等。真空在冶金工業(yè)中的應(yīng)用真空熔煉、真空脫氣及爐外精煉、真空熱處理、真空燒結(jié)、真空蒸餾濃縮和結(jié)晶真空在鍍膜工業(yè)中的應(yīng)用真空鍍膜廣泛的應(yīng)用在光學(xué)、電子學(xué)、理化儀器、建筑機(jī)械、包裝、民用制品、表面科學(xué)中。真空鍍膜所采用的方法主要有：蒸發(fā)鍍、濺射鍍、離子鍍、束流沉積鍍、化學(xué)氣相沉積法等增透膜、高反射膜、導(dǎo)電膜、絕緣膜、保護(hù)膜,真空在食品包裝及冷凍干燥工業(yè)中的應(yīng)用生物體保存、貴重或熱敏性藥物生產(chǎn)、食品制作與保存等真空在航天工業(yè)中的應(yīng)用（模擬實(shí)驗(yàn)）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航天員訓(xùn)練密封艙、離子推力器、材料及元件、衛(wèi)星表面帶電模擬真空在加速器及受控核聚變中的應(yīng)用加速器是對(duì)粒子加速使被加速的粒子獲得高能量的裝置，加速器產(chǎn)生的粒子和射線已經(jīng)用于核物理研究和醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)食品等部門。真空在表面科學(xué)研究中的應(yīng)用當(dāng)真空度達(dá)到的超高真空時(shí)，在固體表面吸附一個(gè)原子或分子層厚度時(shí)，所需的時(shí)間大約是60分鐘。充分利用這段時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行表面研究和測(cè)試，是完全可能的。,1.4真空物理與真空工程分子運(yùn)動(dòng)論（）氣體的流動(dòng)理論（）真空中的熱力學(xué)問題（）表面現(xiàn)象（）溶解、擴(kuò)散和滲透（）表面電子發(fā)射（）氣體放電（）帶電粒子在各類型電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)（）電子光學(xué)基礎(chǔ)（）,公式總結(jié)習(xí)題,第二章氣體在平衡狀態(tài)下的物理特性,平衡態(tài)非平衡態(tài)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)2.1基本定律2.1.1實(shí)驗(yàn)定律波義耳-馬略特定律M一定T=C蓋呂薩克定律M一定P=C查理定律M一定V=C,常量2.1.2理想氣體狀態(tài)方程,所以,引申出1)阿弗加德羅定律2)道爾頓分壓定律3),熟練掌握,返回,2.2氣體的壓強(qiáng)公式氣體分子的動(dòng)能1)分子的自由度2)能量按自由度均分原理,方均速率,3)氣體的內(nèi)能2.3Maxwell速率分布率氣體分子以各種大小的速率沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而且由于相互碰撞，每個(gè)分子的速度都在不斷變化。因此，某一特定時(shí)刻單個(gè)分子速度的數(shù)值和方向，完全具有偶然性。然而，就大量分子整體來看，在一定的條件下，它們的速度分布卻遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。為了研究氣體分子按速率分布情況，研究它的定量規(guī)律，引入速率分布函數(shù)的概念。,由圖2-2Maxwell速率分布曲線可以看出,從坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā),經(jīng)過一極大值后,隨速率的增大而漸近于橫坐標(biāo).即氣體分子的速率可以取由0-之間的一切數(shù)值,速率很大和很小的分子所占的比率都很小,而具有中等速率的分子所占的比率卻很大。與速率分布函數(shù)極大值對(duì)應(yīng)的速率叫做最可幾速率.物理意義:如果把整個(gè)速率范圍分成許多相等的小區(qū)間,則分布在最可幾速率所在的區(qū)間的分子比率最大。,從上式中可以看出,溫度越高,越大;分子的質(zhì)量越大,越小.對(duì)給定的氣體,分布曲線的形狀隨溫度而變;在同一溫度下,分布曲線的形狀因氣體的不同而不同.對(duì)于空氣大約為500m/s,返回,大量分子的速率的算術(shù)平均值叫做分子的平均速率,用表示.,分子速率平方的平均值分子的方均根速率為在討論速率分布時(shí)用到最可幾速率,計(jì)算分子運(yùn)動(dòng)的平均距離時(shí)用平均速率,計(jì)算分子的平均平動(dòng)動(dòng)能時(shí)用方均根速率.,返回,2.4氣體分子的碰撞氣體在管道中流動(dòng)以及熱傳導(dǎo)、內(nèi)摩擦、擴(kuò)散現(xiàn)象的性質(zhì)都和分子之間的碰撞有關(guān)。碰撞：實(shí)質(zhì)上是分子在另一分子附近通過時(shí)受另一分子給予的斥力而使運(yùn)動(dòng)方向急劇改變的過程。研究單位時(shí)間內(nèi)氣體分子碰撞次數(shù)時(shí)作下列假設(shè)：1）分子是光滑的剛性小球，作完全彈性碰撞而忽略其勢(shì)能；2）在兩次碰撞之間，分子作勻速直線運(yùn)動(dòng)；3）分子直徑與兩次碰撞之間所走的路程相比，可忽略不計(jì)；4）碰撞過程是瞬間的；5）分子碰撞不影響其密度分布，即氣體處于穩(wěn)態(tài)。,單位時(shí)間內(nèi)的平均碰撞次數(shù)(假設(shè)其它分子處于靜止?fàn)顟B(tài))單位時(shí)間內(nèi)的平均碰撞次數(shù)單位體積內(nèi)的碰撞次數(shù),2.5氣體分子的自由程及其分布率自由程：在氣體中，一個(gè)分子連續(xù)兩次碰撞之間的路程平均自由程：分子在連續(xù)兩次碰撞之間所通過的自由程平均值1）同類分子的平均自由程對(duì)于一定的氣體，當(dāng)T一定時(shí)，則,返回,2）離子、電子的自由程可認(rèn)為離子的直徑與分子直徑相同；但因受電場(chǎng)的作用，運(yùn)動(dòng)速率遠(yuǎn)大于分子的速率，這樣，可將分子視為靜止的，于是離子的平均自由程為電子在電場(chǎng)下速率更快，分子同樣視為靜止，但電子的直徑小，可略去不計(jì),3）自由程長(zhǎng)的分布率自由程大于x的幾率表示個(gè)分子中自由程大于X的分子數(shù),上述公式對(duì)于電子、離子同樣適用應(yīng)用：真空鍍膜越小越好，但x不能太小（考慮安裝空間），只有增大，這就需要減小壓強(qiáng)，抽真空。2.6分子入射率由麥克斯韋速度分布率來推導(dǎo),推導(dǎo)過程略單位時(shí)間碰撞于單位面積上的分子數(shù),轉(zhuǎn)到5,單位時(shí)間碰撞于單位面積上的氣體體積數(shù)對(duì)于常溫下的空氣()氣體分子在單位時(shí)間碰撞于單位面積上的氣體分子數(shù)與容器中總的分子數(shù)無關(guān),正比于分子的平均速率和分子密度。由于分子的平均速率很大，故的值一般很大。對(duì)研究蒸發(fā)與凝結(jié)間的平衡、消氣劑的吸氣等具有重要意義。,2.7蒸發(fā)與凝結(jié)2.7.1蒸汽可凝性氣體，是相對(duì)永久性氣體而言的，對(duì)于任何一種氣體都有一個(gè)臨界溫度，處在臨界溫度以上的氣體，不能通過等溫壓縮發(fā)生液化稱為永久氣體。而在臨界溫度以下的氣體，靠單純壓縮氣體增加壓力即能使其液化，便是蒸汽。分類：金屬蒸汽、非金屬蒸汽；狀態(tài)：飽和蒸汽、非飽和蒸汽。當(dāng)處于真空狀態(tài)時(shí)，不論是實(shí)際氣體還是處于非飽和狀態(tài)下的蒸汽，均可認(rèn)為服從理想氣體狀態(tài)方程。處于飽和狀態(tài)下的蒸汽，不服從理想氣體定律，因?yàn)樵跍囟炔蛔儠r(shí)，壓縮體積時(shí)，部分蒸汽將產(chǎn)生凝結(jié)，不服從波義爾-馬略特定律。,在真空系統(tǒng)中，若有蒸汽源存在，并且系統(tǒng)各部分有不同的溫度，那么飽和蒸汽壓決定于最低溫度。真空系統(tǒng)中的任何液面都是一種蒸汽源，只要留有任何一種液體，系統(tǒng)可達(dá)到的最高真空度就是這種液體現(xiàn)有溫度下的蒸汽壓。在室溫下,水的蒸汽壓為2338.67帕,水銀的蒸汽壓為0.12帕.隨著溫度的升高,蒸汽壓增高。如真空系統(tǒng)中蒸汽受到壓縮時(shí)，壓強(qiáng)只能增加到飽和蒸汽壓，進(jìn)一步壓縮會(huì)使蒸汽凝結(jié)。降低真空系統(tǒng)中任何部分的溫度，可降低系統(tǒng)中的蒸汽壓。,蒸汽對(duì)真空的影響：揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì)相當(dāng)于放氣源，常常會(huì)限制系統(tǒng)極限真空度的提高，極限壓力不會(huì)低于最高的飽和蒸汽壓。系統(tǒng)各部分溫度不同時(shí)，系統(tǒng)中蒸汽的分壓力與最低溫度的飽和蒸汽壓相等，多余的蒸汽將凝聚在最低溫度表面上（低溫泵、冷阱提高真空度的原理）。抽除水蒸汽是真空技術(shù)中的一個(gè)難題飽和蒸汽受壓縮時(shí)發(fā)生液化這一性質(zhì)常給容積式真空泵的抽氣帶來困難，最突出的就是水蒸汽的抽除問題（氣鎮(zhèn)原理）。水蒸汽的存在也會(huì)影響到壓縮式真空計(jì)（麥?zhǔn)嫌?jì)）的精確使用。,通常，泵抽除的氣體多為永久性氣體與可凝性氣體的混合物。在壓縮和排氣過程中，當(dāng)可凝性氣體的分壓超過泵溫時(shí)該氣體的飽和蒸汽壓時(shí)，可凝性氣體將會(huì)凝結(jié)并混于泵油中，隨泵油循環(huán)，并在返回高真空側(cè)時(shí)重新蒸發(fā)變成蒸汽。這將會(huì)影響到泵的抽氣性能，加重泵油的污染程度。氣鎮(zhèn)法可以有效的防止可凝性氣體的凝結(jié)，即在壓縮過程中將經(jīng)過控制的永久性氣體（通常為室溫干燥空氣）由氣鎮(zhèn)孔摻入被壓縮氣體中，使可凝性蒸汽的分壓達(dá)到飽和蒸汽壓之前，壓縮氣體的壓力已經(jīng)到達(dá)排氣壓力，排氣閥打開，將可凝性氣體同永久氣體一同排出。油封式機(jī)械真空泵普遍裝有氣鎮(zhèn)裝置。氣鎮(zhèn)閥由節(jié)流閥和逆止閥兩部分組成。,蒸汽的汽化潛熱液體在真空中蒸發(fā)變成蒸汽時(shí)需要吸收熱量汽化熱要使液體汽化（固體升華），需要提供足夠的熱量（真空冷凍干燥）液體蒸發(fā)吸收熱量，有降溫作用，如蔬菜水果保鮮，脫水降溫積水蒸發(fā)結(jié)冰現(xiàn)象2.7.2蒸汽壓該方程不僅適用于液體及其飽和蒸汽之間的關(guān)系,還適用于其它物質(zhì)相,例如物體的固相和液相的混合物也適用。蒸汽壓的單位為mHg,A、B查表，C通常忽略不計(jì)。,2.7.3蒸發(fā)率和凝結(jié)率在靠近某種物質(zhì)表面的一些分子具有足夠的動(dòng)能時(shí)，可以逸出成為一種氣體留在空間。提高固體（或液體）表面溫度，使分子熱運(yùn)動(dòng)加劇可加速這一過程。（加熱去氣）若將某種液體敞開放著，蒸汽分子很快就從液體中擴(kuò)散出去，而產(chǎn)生所謂的“非飽和蒸汽”。若將液體置于一封閉的空間，則蒸汽壓會(huì)達(dá)到一最大值，此時(shí)蒸汽處于飽和狀態(tài)而其相應(yīng)的壓強(qiáng)稱為飽和蒸汽壓。這時(shí)，從物質(zhì)表面逸出的蒸汽分子與返回表面的分子數(shù)之間形成動(dòng)態(tài)平衡。,蒸發(fā)率：?jiǎn)挝粫r(shí)間從單位面積上由液體（或固體）轉(zhuǎn)化成氣體的質(zhì)量。凝結(jié)率：?jiǎn)挝粫r(shí)間在單位面積上由氣態(tài)轉(zhuǎn)化成液態(tài)（或固態(tài)）的質(zhì)量。當(dāng)蒸發(fā)率大于凝結(jié)率時(shí)，表現(xiàn)為蒸發(fā)；當(dāng)凝結(jié)率大于蒸發(fā)率時(shí)，表現(xiàn)為凝結(jié)；當(dāng)凝結(jié)率等于蒸發(fā)率時(shí)，表現(xiàn)飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)下的分子密度和壓強(qiáng)稱之為飽和蒸汽密度和飽和蒸汽壓。蒸發(fā)率和凝結(jié)率的單位是飽和狀態(tài)下的凝結(jié)率可通過分子入射率來計(jì)算,當(dāng)固態(tài)金屬表面很干凈時(shí)，（凝結(jié)系數(shù)、打擊系數(shù)單位時(shí)間打擊到單位面積上的金屬蒸汽分子有一部分凝結(jié)成故態(tài)金屬，另一部分撞擊后返回到空間形成金屬蒸汽，凝結(jié)的部分占總數(shù)的百分比）因?yàn)檎舭l(fā)率只與金屬表面狀態(tài)和溫度有關(guān)，所以無論飽和與否，都用上述公式，因?yàn)槲镔|(zhì)具有這種特性。在真空鍍膜技術(shù)中，往往以各種熱源（如電阻、離子轟擊、電子束等）使欲鍍金屬蒸散到工件上形成薄膜。而蒸汽的量和金屬的溫度有關(guān)。溫度升高蒸發(fā)率增大，在溫度較高的飽和狀態(tài)下，飽和蒸汽壓必然很大。只有這樣才能形成較大的凝結(jié)率與增大了的蒸發(fā)率相平衡，從而達(dá)到飽和狀態(tài)。,2.8分子從表面的反射（余弦定律、克努曾定律）入射反射多少？反射方向：余弦定律研究的內(nèi)容克努曾在低壓氣體流動(dòng)和分子束反射的研究中，都證明了余弦定律成立：碰撞于固體表面的分子，它們飛離表面的方向與原飛來方向無關(guān)，按與表面法線方向所成角度的余弦分布。一個(gè)分子，離開表面時(shí)位于立體角中的幾率為,“吸附層”假說：凡是碰撞于表面的分子，都被表面所暫時(shí)吸附，在表面停留一些時(shí)間后重新“蒸發(fā)”。余弦定律的意義：揭示了固體表面對(duì)氣體分子作用的一個(gè)重要側(cè)面，它將分子原有的方向性徹底“消滅”分子“忘掉”了原有運(yùn)動(dòng)方向，均按余弦定律漫射分子在固體表面停留一段時(shí)間，氣體分子能夠與固體進(jìn)行能量交換、動(dòng)量交換的先決條件。例如氣體對(duì)表面的散熱作用、用高溫表面加熱氣體、用高速運(yùn)動(dòng)的表面來拖動(dòng)分子、氣體被固體表面吸附等。由于分子每碰撞于表面都要停留一段時(shí)間，這就造成高真空下氣體或蒸汽通過管道需要較長(zhǎng)時(shí)間。,在分子尺度上是光滑的表面，可以出現(xiàn)鏡面反射現(xiàn)象，這時(shí)反射角等于入射角即飛離方向完全取決于飛來方向。一般常見材料，即使被精密研磨過，離分子光滑的程度仍然很遠(yuǎn)，只有晶體的解理面才稱得上是分子光滑的表面。故在通常情況，余弦定律都可以認(rèn)為是成立的。,第三章氣體內(nèi)的遷移現(xiàn)象,氣體內(nèi)的遷移現(xiàn)象：處于非平衡態(tài)的氣體，由于氣體分子不斷的相互碰撞和相互攙和，分子之間將經(jīng)常交換動(dòng)量和能量，分子速度的大小和方向也不斷地改變，最后，氣體內(nèi)各部分的物理性質(zhì)將趨向均勻，氣體狀態(tài)將趨向平衡。在壓強(qiáng)較高時(shí)質(zhì)量遷移擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散系數(shù)能量遷移熱傳導(dǎo)現(xiàn)象熱傳導(dǎo)系數(shù)動(dòng)量遷移粘滯現(xiàn)象粘滯系數(shù),在氣體壓強(qiáng)較低時(shí)，有滑動(dòng)現(xiàn)象、溫度驟增現(xiàn)象、熱流逸現(xiàn)象、分子輻射現(xiàn)象。應(yīng)用：蒸汽流泵的擴(kuò)散機(jī)理、氣體沿真空管道的流動(dòng)規(guī)律、真空電爐中或熱傳導(dǎo)真空計(jì)的熱交換。3.1氣體的動(dòng)量遷移3.1.1低真空下的動(dòng)量遷移內(nèi)摩擦現(xiàn)象（粘滯現(xiàn)象）內(nèi)摩擦力：流動(dòng)中的氣體，如果各氣層的流速不相等，那么相鄰兩個(gè)氣層之間的接觸面上形成一對(duì)阻礙兩氣層相對(duì)運(yùn)動(dòng)的等值而反向的摩擦力。氣體的這種性質(zhì)叫做粘滯性。例如用管道輸送氣體，氣體在管道中前進(jìn)時(shí)，緊靠著管壁的氣體分子附著于管壁，流速為，稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的氣體分子才有流速，離管壁較遠(yuǎn)一些的氣層有較大的流速，在管道中心部分流速最大。這一現(xiàn)象正是由于管壁到中心各氣層氣體之間有內(nèi)摩擦作用的表現(xiàn)。,氣體的內(nèi)摩擦是氣體內(nèi)部的動(dòng)量遷移，是因氣體流速不均即有“速度梯度”存在而產(chǎn)生的。兩氣層之間的內(nèi)摩擦力為：結(jié)論：）與氣體種類有關(guān)；）與溫度有關(guān)；）與壓強(qiáng)無關(guān)（解釋）；）高真空時(shí)，外摩擦現(xiàn)象（振膜真空計(jì)）,3.1.2中真空下的滑動(dòng)現(xiàn)象和內(nèi)摩擦現(xiàn)象在氣固交界面上有速度躍變存在，貼板氣流相對(duì)于板面流動(dòng)的現(xiàn)象稱為“滑動(dòng)現(xiàn)象”。（氣流與壁面間的動(dòng)量交換）滑動(dòng)系數(shù)外摩擦力氣體與板面間的相互作用力外摩擦系數(shù)氣體與壁面的碰撞，實(shí)質(zhì)是對(duì)“吸附層”的碰撞，由于碰撞條件不同，可產(chǎn)生兩種反射：彈性反射（動(dòng)量不改變）；漫反射（有充分的動(dòng)量交換）。（解釋滑動(dòng)現(xiàn)象的原因）3.1.3高真空下的滑動(dòng)現(xiàn)象由于忽略了內(nèi)摩擦現(xiàn)象，故滑動(dòng)系數(shù)已失去存在的意義，因?yàn)樗峭ㄟ^滑動(dòng)現(xiàn)象和內(nèi)摩擦現(xiàn)象之間的關(guān)系引入的，這時(shí)應(yīng)直接分析外摩擦力。,但在真空技術(shù)中，引入與壓強(qiáng)有關(guān)的外摩擦系數(shù)是很不方便的，于是引入了自由分子粘滯系數(shù)，它只與氣體的種類和溫度有關(guān)，與壓強(qiáng)無關(guān)。由此來計(jì)算外摩擦力相當(dāng)方便。（相對(duì)中真空下的外摩擦力公式）3.2氣體的能量遷移3.2.1低真空下的能量遷移熱傳導(dǎo)現(xiàn)象如果氣體內(nèi)部各部分溫度不同，從溫度較高處向溫度較低處有熱量的傳遞，這一現(xiàn)象稱為氣體的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。,單位是結(jié)論：）與氣體種類有關(guān)；）有溫度有關(guān)：）與壓強(qiáng)無關(guān)（解釋）；）在高真空時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)正比于分子密度或壓強(qiáng)，稱為自由分子熱傳導(dǎo)。（利用這種特點(diǎn)來測(cè)量真空度各種類型的熱傳導(dǎo)真空計(jì)）熱流密度單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量,3.2.2中真空下的溫度驟增現(xiàn)象和熱傳導(dǎo)現(xiàn)象在中真空下，貼板氣體和板面溫度并不一致，而是存在一定的溫度差，這種現(xiàn)象稱為溫度驟增現(xiàn)象，溫度差稱為溫度躍變。溫度躍變溫度驟增現(xiàn)象適應(yīng)系數(shù)是反應(yīng)氣體分子和器壁碰撞過程中能量交換充分程度的物理量，與氣體種類、表面材料及粗糙度等有關(guān)，一般在0.20.95之間。用適應(yīng)系數(shù)將熱傳導(dǎo)系數(shù)加以修正,3.2.3高真空下的溫度驟增現(xiàn)象分子流態(tài)溫度驟增起主導(dǎo)作用高真空中溫度不同的兩表面間熱傳導(dǎo)量自由分子熱傳導(dǎo)系數(shù)熱傳導(dǎo)真空計(jì)的工作原理：根據(jù)低壓氣體熱傳導(dǎo)量正比于壓強(qiáng)的關(guān)系，即傳遞熱量的多少表征氣體的多少制成熱傳導(dǎo)真空計(jì)。更多時(shí)候是氣體分子在大圓內(nèi)壁間碰撞自由分子熱運(yùn)動(dòng)。這種真空計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便，但讀數(shù)與氣體種類有關(guān)，工作特性常因熱表面適應(yīng)系數(shù)變化而受影響。,在和時(shí)都存在氣體熱傳導(dǎo)現(xiàn)象和摩擦現(xiàn)象（內(nèi)摩擦和外摩擦），但表現(xiàn)的很不一樣。對(duì)于擴(kuò)散現(xiàn)象，只有在時(shí)才存在，在時(shí)，氣體分子間完全沒有相互碰撞，不存在擴(kuò)散現(xiàn)象。3.3氣體的質(zhì)量遷移擴(kuò)散現(xiàn)象若容器中各部分的氣體種類不同，或同類氣體在容器中各部分的密度不同，隨著時(shí)間的變化，容器中各部分氣體的成分或氣體的密度將趨向均勻一致，這種現(xiàn)象叫擴(kuò)散現(xiàn)象。分為自擴(kuò)散和互擴(kuò)散。應(yīng)用：擴(kuò)散泵、真空鍍膜技術(shù)、真空脫氣等,3.3.1自擴(kuò)散取決于氣體分子的密度分布（）結(jié)論：）當(dāng)溫度恒定時(shí)，真空度越高，氣體擴(kuò)散速度越快（因?yàn)樵趬毫^高時(shí)，分子間相互碰撞頻繁，擴(kuò)散很慢）真空脫氣、真空干燥、真空浸漬等設(shè)備的理論依據(jù)；）當(dāng)壓強(qiáng)一定時(shí)，提高擴(kuò)散速度的途徑是增高溫度外部烘考去氣、加熱去氣；）當(dāng)壓強(qiáng)、溫度均是常量時(shí)，擴(kuò)散速度隨氣體種類不同分子質(zhì)量越輕，擴(kuò)散越快；,3.3.2互擴(kuò)散結(jié)論總結(jié)單原子氣體分子2.5，雙原子分子B=1.9，多原子分子B=1。,3.4熱流逸現(xiàn)象）低真空（）平衡時(shí)壓強(qiáng)較高時(shí)的平衡是兩室壓強(qiáng)相等，氣體的分子數(shù)密度及質(zhì)量密度反比于溫度。低溫區(qū)氣體密度大。,）高真空（）壓強(qiáng)較低時(shí)，氣體分子之間可以不發(fā)生相互碰撞而飛過小孔。平衡時(shí)兩室交換的分子數(shù)必須相等此時(shí)兩室的壓強(qiáng)并不相等，壓強(qiáng)之比正比于溫度之比的1/2次方；分子數(shù)密度及質(zhì)量密度反比于溫度的1/2次方。現(xiàn)象解析a）當(dāng)時(shí)，分子之間的碰撞頻繁，自由程很短，碰撞時(shí)交換能量，在小孔附近形成一個(gè)具有若干自由程厚的過渡層。在過渡層內(nèi)溫度變化是緩慢的。因此任何一室的分子都不能帶著它原來速率直接飛到對(duì)室去。,b）當(dāng)時(shí)，氣體分子的自由程很長(zhǎng)，分子能無碰撞的通過小孔，由一室飛到另一室，并在另一室中與分子或器壁碰撞，取得熱平衡。當(dāng)有機(jī)會(huì)重新穿過小孔飛回時(shí)，也是帶著另一室分子的熱運(yùn)動(dòng)速率飛回來的。此時(shí)，小孔兩邊是能維持溫度躍變的。C）一個(gè)真空系統(tǒng)各部分溫度不一致時(shí)，即使沒有氣體流動(dòng)（已達(dá)到平衡），它們的壓強(qiáng)也并不相等。這對(duì)真空度的測(cè)量有很大影響。設(shè)計(jì)和選擇測(cè)量點(diǎn)時(shí)必須給予充分注意。在有低溫設(shè)備的真空系統(tǒng)中，由于溫差大，壓強(qiáng)差比較顯著。例如：一個(gè)用液氮冷凍的容器，用某種真空計(jì)測(cè)量其真空度，則容器中的真實(shí)壓強(qiáng)只為真空計(jì)讀數(shù)的一半左右。（熱處理爐）,3)熱流逸（熱遷移、熱分子流）現(xiàn)象（與熱傳遞的流動(dòng)方向不同）,第5章氣固現(xiàn)象,5.1引言表面科學(xué)的一個(gè)分支固相和氣相間的界面現(xiàn)象表面物理、表面化學(xué)現(xiàn)象已成為近代真空技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。在超高真空狀態(tài)下，氣相分子之間相互碰撞已忽略（空間過程），起關(guān)鍵作用的是氣相分子與固體表面的碰撞（器壁過程）。超高真空技術(shù)的發(fā)展是表面科學(xué)飛躍發(fā)展的前提條件。處于稀薄氣體中的表面，不論是受到中性氣體分子的碰撞，還是電子、離子、光子等粒子的作用，都要發(fā)生一系列的物理現(xiàn)象。這些現(xiàn)象雖然發(fā)生在表面，但都不可避免的導(dǎo)致空間的效果。,氣體分子與表面的碰撞，在單位面積的表面上每秒要遭受次的碰撞。如果表面在開始時(shí)是干凈的，將有一部分分子停留在表面上，出現(xiàn)“吸附現(xiàn)象”，反之，在一定條件下，這些吸附的分子可重新釋出而返回氣相，出現(xiàn)“脫附”。氣體分子在表面與空間的這種相互轉(zhuǎn)換的物理現(xiàn)象，在真空技術(shù)中有著特別重要的意義。氣體脫附將造成可觀的壓強(qiáng)，對(duì)高真空器件可能導(dǎo)致極壞的結(jié)果。反之，如果能將氣相分子轉(zhuǎn)換為表面吸附分子，則能實(shí)現(xiàn)抽氣作用，吸附泵正是利用此原理工作的。,5.2固體表面、吸附現(xiàn)象、固體原子振動(dòng)周期當(dāng)氣體和固體表面處于平衡態(tài)時(shí)，靠近固體表面的氣體密度總是大于遠(yuǎn)離表面的密度，說明固體表面有俘獲氣體分子并使之滯留于表面附近的能力。氣體被固體表面俘獲而附著于表面上的現(xiàn)象稱為吸附現(xiàn)象。能吸附別的物質(zhì)的固體叫“吸附劑”，被吸附的物質(zhì)叫“吸附質(zhì)”。固體分為晶體（有固定的軟化點(diǎn)）和非晶體（粘滯性很大的液體）。晶體：巖鹽、云母、石英、明礬、水晶、冰、金屬等非晶體：玻璃、松脂、瀝青、橡膠、塑料等,晶體表面是指晶體最外表的幾個(gè)原子層和吸附在它上面的原子、分子及其覆蓋層，其厚度在零點(diǎn)幾納米到幾納米之間。表面的存在，破壞了晶體的三維周期性，結(jié)果使粒子在表面重新排列，這一薄層的原子既受到體內(nèi)束縛，又受到環(huán)境的影響，形成與體內(nèi)不同周期的結(jié)構(gòu)（例如圖5-1氯化鈉晶體）。固體表面之所以有吸附能力，正是由于固體表面分子的這種特殊狀態(tài)所引起的。固體是由相互間吸引的離子、原子、分子組成，盡管它們之間有較強(qiáng)的相互吸引力，但并不是在原位置靜止不動(dòng)，而是不停地以一定的頻率做振動(dòng)，振動(dòng)的周期與原子的體積、分子量、物質(zhì)的熔點(diǎn)有關(guān)。Lindemann公式,返回,固體原子的這種振動(dòng)對(duì)被吸附分子有直接影響，被吸附分子通?？山曊J(rèn)為是以同一周期做振動(dòng)。、吸附機(jī)理兩個(gè)分子間的相互作用力吸附力式中第一項(xiàng)代表斥力，第二項(xiàng)代表引力，由于s、t都比較大，所以分子力隨著間距的增大而急劇減小，分子力可以認(rèn)為具有一定的有效作用距離，超出有效距離，可完全忽略。由于st，所以斥力的有效作用距離比引力小。,遠(yuǎn)吸近推分子勢(shì)能曲線在平衡位置處，分子力為，勢(shì)能有極小值。用勢(shì)能曲線來描述兩分子間的“碰撞”過程固體表面對(duì)氣體分子的作用力分子場(chǎng)力氣體分子受固體表面分子所產(chǎn)生的分子力場(chǎng)的作用，具有分子力場(chǎng)的勢(shì)能。分子力場(chǎng)勢(shì)能曲線（圖5-3）：分子場(chǎng)力為斥力時(shí)，為正，勢(shì)能隨著距離的增大而減??；分子場(chǎng)力為吸引力時(shí)，為負(fù)，勢(shì)能隨著距離的增大而增大；分子場(chǎng)力為時(shí)，勢(shì)能有極小值。,曲線凹下的部分稱為“勢(shì)能坑”或“勢(shì)谷”?？拥淖畹忘c(diǎn)是分子的平衡位置，坑越深，分子勢(shì)能越小，越穩(wěn)定。勢(shì)能曲線最低點(diǎn)的能量就是吸附時(shí)所放出的熱量，稱為“吸附熱”。若氣體分子從固體表面上“脫附”出來，必須提供脫附能，數(shù)值上等于吸附熱。5.3吸附參量、固體表面吸附摩爾氣體所放出的熱量吸附熱固體表面脫附摩爾氣體所吸收的熱量脫附能單位是焦耳摩爾或千焦耳摩爾吸附過程是氣體分子勢(shì)能減少的過程，減少的勢(shì)能以熱量的形式放出。脫附過程是勢(shì)能增加的過程，需要外界提供能量。,、吸附量固體表面單位面積上所吸附的氣體量有些固體吸附劑的實(shí)際表面比幾何表面大得多，而且是未知數(shù)，所以用單位重量的固體所吸附的氣體量來表示吸附量。實(shí)際表面也叫物理表面、真表面；幾何表面也叫視在表面。比面積：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的固體所具有的實(shí)際表面積分子篩（一種吸附劑）：,、表面覆蓋度在化學(xué)吸附中，固體單位表面的吸附中心數(shù)是一定的，一吸附中心被氣體分子占據(jù)，該吸附中心就不再具有吸附其它分子的能力。被氣體分子占據(jù)的吸附中心數(shù)和總吸附中心數(shù)之比稱為“覆蓋度”。在單層吸附中，覆蓋度即是被氣體覆蓋的面積和整個(gè)固體表面積之比在物理吸附中，不存在吸附中心的概念，但單位表面可能吸附氣體的總數(shù)也是一定的。同樣引入覆蓋度的概念?？赡?（多分子層吸附）；（單層吸附）,、平均吸附時(shí)間固體表面上吸附的氣體分子在不斷地做熱運(yùn)動(dòng)，其中必有一定數(shù)量的分子由于動(dòng)能較大而擺脫固體表面對(duì)它的束縛，從表面上解脫出來（脫附）。氣體分子從吸附到脫附平均所經(jīng)歷的時(shí)間稱為“平均吸附時(shí)間”、“平均滯留時(shí)間”、“平均居留時(shí)間”。費(fèi)朗克爾方程被吸附氣體分子在垂直固體表面方向上的振動(dòng)周期,、表面形成單分子層時(shí)間t單分子層布滿一平方厘米表面的分子數(shù)為假定每次入射都能形成吸附，于是形成單分子層吸附時(shí)間為：對(duì)于室溫下的空氣真空度越高，表面形成單分子層的時(shí)間越長(zhǎng)。,、吸附速率與脫附速率單位面積表面在單位時(shí)間內(nèi)吸附的氣體分子數(shù)稱為吸附速率（單位時(shí)間內(nèi)的吸附量），單位：脫附速率：每平方厘米的吸附劑表面上每秒鐘脫附的氣體量。表面覆蓋分子數(shù)越多，脫附速率越大；吸附分子在表面上能夠吸附停留的時(shí)間越長(zhǎng)，脫附速率越小。,5.4物理吸附與化學(xué)吸附物理吸附：氣體分子靠范德瓦爾斯力吸附在固體吸附劑上。由于范德瓦爾斯力較弱，作用距離較長(zhǎng)，被物理吸附的分子結(jié)構(gòu)變動(dòng)不大，所以被吸引分子和表面的化學(xué)性質(zhì)都保持不變?；瘜W(xué)吸附：其作用力與化合物中原子間的作用力相似，比范德瓦爾斯力強(qiáng)得多，作用距離較短。吸附后氣體分子與固體表面之間形成吸附化學(xué)鍵，與原氣體中的分子相比，由于吸附鍵的強(qiáng)烈影響，其結(jié)構(gòu)變化較大，狀態(tài)也更為活躍，好似發(fā)生于表面上的化學(xué)反應(yīng)。,返回,判斷物理吸附與化學(xué)吸附吸附熱物理吸附的吸附熱較小，一般在幾千到幾萬焦耳摩爾，與氣體的液化熱接近?；瘜W(xué)吸附熱一般大于幾百千焦耳摩爾，與化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱接近。吸附溫度物理吸附的溫度一般接近氣體的沸點(diǎn)溫度，主要發(fā)生在低溫下，真空技術(shù)中的低溫吸附多屬于這種情況。化學(xué)吸附溫度較高，真空技術(shù)中的吸氣劑和吸氣劑泵多屬于這種情況。吸附的穩(wěn)定性物理吸附不穩(wěn)定，易脫附，一般來說過程可逆，化學(xué)吸附較穩(wěn)定，不易脫附。,吸附的選擇性物理吸附無選擇性，在氣體沸點(diǎn)附近任何氣體在任何固體表面上都可以物理吸附?；瘜W(xué)吸附具有選擇性，一種固體表面只能吸附某幾種氣體。吸附作用范圍物理吸附可以單分子層也可以多分子層。化學(xué)吸附限于單分子層。吸附和脫附的速度物理吸附無需激活能，吸附和脫附速度都很快?；瘜W(xué)吸附需一定的激活能，吸附和脫附速度比物理吸附慢。吸附態(tài)的光譜物理吸附使原吸附分子的特征吸收帶造成某些位移，或使原吸收帶的強(qiáng)度有所變更?；瘜W(xué)吸附則在紫外、紅外及可見光譜區(qū)出現(xiàn)新的特征吸收帶。物理吸附和化學(xué)吸附在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化,5.5吸附動(dòng)力學(xué)5.5.1吸附速率方程稱為吸附幾率（打擊系數(shù)），是入射固體表面的分子能夠被吸附的幾率。物理吸附（凝聚幾率），化學(xué)吸附（粘附幾率）。吸附幾率的大小取決于激活能對(duì)于化學(xué)吸附，只有能量高于激活能的分子才能發(fā)生吸附，物理吸附則不需激活能表面覆蓋度隨著表面覆蓋度的增加，吸附幾率越來越小吸附的成功率取決于碰撞機(jī)制,5.5.2脫附速率方程覆蓋度為的固體表面，其單位面積上共吸附有個(gè)氣體分子，這些分子經(jīng)過平均吸附時(shí)間后將全部被新吸附的分子所代替，故單位時(shí)間單位固體表面上脫附的分子數(shù)為：脫附速率和溫度有關(guān)，溫度越高，速率越快。這是烘烤去氣的理論依據(jù)。動(dòng)態(tài)平衡時(shí)一定的氣體吸附在某一固體上的分子數(shù),5.6朗謬爾吸附等溫線吸附量與吸附劑的溫度和氣體的壓強(qiáng)有關(guān)(平衡時(shí)),即:朗謬爾公式吸附表面上吸附的氣體摩爾數(shù)為:,朗謬爾吸附理論：形成固體的分子，相互之間以靜電力作用，在固體內(nèi)部，每個(gè)原子都受到周圍相同原子的作用，故力相互抵消；但在最表層的原子其向外的一面的力未能得到抵消，形成剩余價(jià)力，這個(gè)剩余價(jià)力就可產(chǎn)生吸附作用。凡可產(chǎn)生吸附作用的表面原子都是一個(gè)吸附中心（吸附位），因剩余價(jià)力的作用距離只不過，即約一個(gè)分子直徑的距離，故最多只能吸附一個(gè)單分子層。潔凈表面上的每個(gè)吸附中心都是空的，氣體分子碰到表面就被吸附中心吸附住。初期吸附快，但后來減慢。已吸附的分子，在表面停留一段時(shí)間后，從固體表面獲得能量，有一些可以克服吸附能位壘，開始脫附。平衡時(shí)的脫附數(shù)目等于吸附數(shù)目，表面上維持一個(gè)恒定吸附量。,為了推導(dǎo)吸附等溫線，假定：吸附只能發(fā)生在吸附中心，并且只有分子碰撞于空的吸附中心時(shí)才發(fā)生；每個(gè)吸附中心只能吸附一個(gè)分子；表面上所有吸附中心對(duì)分子的吸附能都相等，而且吸附能不受鄰近是否有吸附分子的影響。固體表面分為兩部分：一部分是被氣體覆蓋的，其面積即為覆蓋度，吸附系數(shù)為；另一部分是未被氣體分子覆蓋，其面積為(1-)，吸附系數(shù)為。平衡時(shí)：,朗謬爾吸附等溫式覆蓋度與壓強(qiáng)的關(guān)系b可以看作與氣固特性有關(guān)的常數(shù),即覆蓋度與氣體壓強(qiáng)成正比亨利定律，適用于高真空、超高真空下的單分子層吸附，相當(dāng)于圖5-6最初的直線部分。吸附飽和，等溫線末端趨于的漸近線。b隨著溫度的升高而迅速減小，即隨著溫度的升高吸附越來越小。朗謬爾公式的等溫線是一通過原點(diǎn)斜率一定的直線，就是單位面積上吸附氣體的摩爾數(shù)和壓強(qiáng)成線性關(guān)系（圖5-7）。,的等溫線是平行于軸的水平線。實(shí)驗(yàn)得出的吸附等溫線與理論的曲線基本一致，差別在c點(diǎn)后尚有一段向上彎曲的線段，理論曲線中沒有。這是由于壓強(qiáng)很大時(shí)被吸附的氣體液化造成的。5.7溶解與滲透氣體在固體中的溶解要經(jīng)過吸附、溶解、擴(kuò)散等。擴(kuò)散是最慢的步驟，溶解或溶解速度多由擴(kuò)散的速度決定。最終可溶解的氣體量取決于溶解度。滲透大氣通過溶解和擴(kuò)散過程先被吸收到真空容器器壁的材料內(nèi)，后又在器壁的真空一側(cè)解溶氣體在固體中的溶解步驟氣體分子吸附在固體表面上吸附的氣體分子有時(shí)在固體表面上離解為原子態(tài)（金屬）,氣體分子（或原子）在固體表層達(dá)到相應(yīng)于環(huán)境氣壓的溶解濃度由于表層濃度比較高，在濃度梯度的作用下氣體分子向固體內(nèi)部擴(kuò)散，至到濃度均勻?yàn)橹狗稚⒘说臍怏w分子，有的能與固體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化合物，有的則只起某種化學(xué)作用，形成不穩(wěn)定的假化合物，有的則構(gòu)成溶體。溶解度：在一定的T、P下，氣體在固體中溶解達(dá)到飽和時(shí)的濃度。與P、T、氣固配比的性質(zhì)有關(guān)。（靜力學(xué)參量溶解氣體的多少）溶解度的大小主要取決于材料與氣體分子之間的親和力。水是極性分子，親和力比較大，所以水蒸氣的溶解度較高；惰性氣體的親和力比較差，所以溶解度較小。還與材料的致密程度有關(guān)。,亨利定律：擴(kuò)散濃度不均勻擴(kuò)散速度：溶解沒有達(dá)到平衡時(shí)的進(jìn)行速度（動(dòng)力學(xué)參量溶解的快慢）菲克第一定律擴(kuò)散系數(shù)由氣固配組的性質(zhì)決定,滲透：氣體滲入、通過和逸出固體阻擋層的過程。首先是氣體吸附在氣體壓強(qiáng)較高的表面上，被表面外層溶解后，其濃度梯度逐漸減少，并逐漸向真空一側(cè)擴(kuò)散，最后在真空側(cè)表面解吸。（氣體的滲透限制了容器所能達(dá)到的極限壓強(qiáng)）擴(kuò)散系數(shù)與溶解度的乘積叫滲透系數(shù)在兩邊壓強(qiáng)差為個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，滲過厚cm的平板面積的氣體量。,滲透系數(shù)的大小與材料及氣體種類有關(guān)。很多材料的滲透系數(shù)很小，可忽略不計(jì)，例如不銹鋼、銅、鉬等，可利用這些材料充當(dāng)真空系統(tǒng)的構(gòu)造材料。一般的硬玻璃對(duì)大多數(shù)氣體（氦、氫除外）的滲透系數(shù)也較小，也可充當(dāng)真空系統(tǒng)或真空器件的壁材。很多有機(jī)材料的滲透系數(shù)很大，如橡膠、塑料等，所有氣體均能滲透，不能充當(dāng)壁材。有些材料表現(xiàn)出一定的選擇性，僅對(duì)某種氣體或某些氣體滲透系數(shù)特別大，材料的這一性質(zhì)可用于氣體提純及真空檢漏。如鈀特別容易透過氫，銀特別容易透過氧諾頓實(shí)驗(yàn),第6章荷能粒子與表面,荷能粒子：指具有一定動(dòng)能的電子、光子、重粒子（質(zhì)子、中子、離子、原子）。表面：最外表的幾個(gè)原子層和吸附在它上面的原子、分子及覆蓋層。彈粒子（入射粒子）靶粒子（靶、靶材）許多真空設(shè)備中都含有荷能粒子，如果荷能粒子以足夠的能量與固體表面碰撞，但又不足以發(fā)生核反應(yīng)，這時(shí)所產(chǎn)生的種種次級(jí)效應(yīng)是各種表面分析技術(shù)的研究范疇。例：高能加速器交叉存儲(chǔ)環(huán)要求良好的超高真空環(huán)境，而加速粒子對(duì)壁面的轟擊脫附出氣會(huì)破壞已經(jīng)達(dá)到的真空度。,返回,重粒子對(duì)材料的濺射剝蝕是濺射離子泵、濺射鍍膜、離子刻蝕的基本依據(jù)。離子在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下被壁面或電極俘獲，是吸氣劑離子泵、電清除的作用原理。氬氧混合氣輝光放電、氬離子轟擊是獲得清潔表面的有效手段。電子轟擊加熱、電子轟擊分解是電離規(guī)、電真空器件電極除氣的重要方法。氬的再釋影響濺射離子泵抽出氬氣的性能。,6.1荷能離子與表面本章研究的荷能粒子是指其能量高于熱運(yùn)動(dòng)的能量而低于發(fā)生核反應(yīng)的能量。荷能粒子轟擊固體表面發(fā)生的現(xiàn)象有：入射粒子：背散射、俘獲、再釋、滲透、貫穿表面材料：濺射、原子位移、輻射損傷、表面電子發(fā)射、氣體濺射。入射粒子能量不同，發(fā)生不同的效應(yīng)能量小于30ev時(shí)，可發(fā)生的主要效應(yīng)：背散射、較輕的濺射和原子位移。發(fā)生背散射的幾率約等于，濺射的產(chǎn)額很低，靶發(fā)生原子位移的幾率也很低。,能量在30-1000ev之間時(shí)，背散射仍很重要，但幾率略有下降，在1000ev時(shí)約等于0.5；對(duì)各種入射粒子和靶均能出現(xiàn)濺射，且濺射產(chǎn)額隨能量的加大而線性上升；由于原子位移造成的靶材料的輻射損傷突出起來；入射粒子被靶俘獲的幾率也有很大的上升，在1000ev時(shí)上升到0.5，俘獲的一小部分可自發(fā)再釋，但只限于表面。此時(shí)貫穿效應(yīng)也出現(xiàn)了，在1000ev時(shí)可達(dá)10個(gè)晶格常數(shù)。在材料科學(xué)研究中，為了便于分析晶體中粒子排列，可以從晶體的點(diǎn)陣中取出一個(gè)具有代表性的基本單元（通常是最小的平行六面體）作為點(diǎn)陣的組成單元，成為晶胞；晶格常數(shù)指的就是晶胞的邊長(zhǎng)，1個(gè)晶格常數(shù)為零點(diǎn)幾納米。,能量在1-30千電子伏特時(shí)，背散射幾率由0.5減小到0.1；濺射產(chǎn)額上升到幾十原子離子；原子位移更加嚴(yán)重，俘獲幾率接近；常溫下再釋降低，擴(kuò)散范圍深入到一個(gè)納米表層；平均貫穿深度由10個(gè)晶格常數(shù)增加到1000個(gè)晶格常數(shù)，入射粒子和靶原子的束縛電子激發(fā)。能量在30千電子伏特1兆電子伏特時(shí)，背散射幾率、濺射產(chǎn)額都比較低；輻射損傷的廣度和深度更大，俘獲幾率等于，再釋更小，貫穿深度對(duì)非晶體為10-100納米，對(duì)于晶體超過幾微米。6.1.1濺射荷能粒子轟擊固體表面使固體原子、離子射出的現(xiàn)象（靶的原子被入射粒子給打出）表征濺射的參量有：濺射閾、濺射產(chǎn)額（濺射系數(shù)）、濺射粒子的角分布、能量分布。,濺射閾：開始出現(xiàn)濺射時(shí)的入射粒子能量。一般氣體金屬配組的濺射閾約為5-30電子伏特。濺射的動(dòng)量理論認(rèn)為：離子轟擊在靶上把一部分動(dòng)量傳給靶原子，如果原子獲得的動(dòng)能大于升華熱，那么它就脫離點(diǎn)陣而射出。熱學(xué)理論認(rèn)為：靶被離子轟擊局部瞬時(shí)加熱而蒸發(fā)。（表6-1）濺射產(chǎn)額：指一個(gè)入射粒子濺射出來的平均粒子數(shù)目。與入射離子的類型、能量、入射角度及靶材的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱、溫度等因素有關(guān)。一般來說，入射粒子的質(zhì)量越大越易引起濺射。隨著入射粒子能量的增加，濺射產(chǎn)額也增加，但增大到一定程度就飽和了，并開始下降。（金屬氧化物的濺射產(chǎn)額一般要比相應(yīng)的金屬?。▓D6-1）,返回,濺射粒子的角分布：濺射粒子的能量分布：一般其平均能量和最可幾能量均隨著入射粒子能量的增加而緩慢上升；并隨轟擊粒子質(zhì)量增加而增加。應(yīng)用：濺射離子泵、濺射鍍膜、離子鍍、離子刻蝕6.1.2氣體濺射指靶材料吸附或凝結(jié)的氣體在入射粒子的轟擊下重新釋出的現(xiàn)象氣體濺射產(chǎn)額：在單位面積吸附總分子（原子）數(shù)為時(shí)，平均每個(gè)轟擊離子釋出的吸附分子數(shù)（原子離子）（表6-3）,6.1.3俘獲與再釋一個(gè)荷能原子或離子碰撞于固體靶表面時(shí)，它最終或者帶著原始能量的一部分反射回真空中去，或者當(dāng)其多余的動(dòng)能耗盡后就停留在固體內(nèi)。后一種情況稱為“俘獲”（捕集、陷入）。在足夠高的靶溫下，被俘獲的粒子將由于熱運(yùn)動(dòng)從其停留位置停留一段時(shí)間后再次被釋放，返回氣相，這個(gè)過程稱為“再釋”，有時(shí)也稱為“熱脫附”。表征俘獲作用的參量主要是俘獲幾率，與入射離子的類型、能量及靶的類型、表面結(jié)構(gòu)、俘獲濃度、溫度有關(guān)。俘獲量隨入射粒子能量的增加而變大最后達(dá)到飽和，飽和是俘獲與再釋達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的情況。,離子俘獲現(xiàn)象在電離真空計(jì)中一直存在，并導(dǎo)致測(cè)量誤差。另外，可利用這個(gè)現(xiàn)象來抽氣，特別是非活性氣體可被成功地抽除，獲得超高真空。表征再釋作用的參量主要是再釋速度，指從單位表面每秒釋出的分子數(shù)。6.2荷能電子與表面電子轟擊固體表面時(shí)，引起兩類現(xiàn)象：電子從表面的散射、電子碰撞脫附。由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于分子或原子，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，電子與分子碰撞時(shí)，其能量和動(dòng)量的絕對(duì)值均基本保持不變?？縿?dòng)量交換打出吸附分子的幾率是很小的。此外，電子轟擊還能引起靶面升溫，若電子束功率較小熱脫附作用也可以忽略。因此，這里所說的電子碰撞脫附是指,電子碰撞脫附（電子誘導(dǎo)脫附、電子刺激脫附）：吸附的分子因受電子激發(fā)或離解而引起的脫附。脫附的產(chǎn)物有中性粒子、激發(fā)的中性粒子及正負(fù)離子。玻璃和陶瓷在電子轟擊下釋出氣體特別有害，因此超高真空裝置必須盡量避免這類絕緣體受到電子轟擊。被擴(kuò)散泵油污染的表面受電子轟擊時(shí)釋出氫及各種碳?xì)浠衔铩ｋ娮愚Z擊臟污表面產(chǎn)生聚合有機(jī)涂層，這些聚合涂層是高電阻率的，如果形成在電子光學(xué)系統(tǒng)中，將破壞儀器的精度表面電子發(fā)射：被入射粒子轟擊使表面電子被打出。,返回,第7章電子發(fā)射,7.1電子發(fā)射基礎(chǔ)固體的電子發(fā)射固體內(nèi)的自由電子，在某種外界因素的作用下逸出固體表面進(jìn)入周圍空間的過程。在真空技術(shù)中，使用或遇到電子發(fā)射的現(xiàn)象頗多，有時(shí)需要得到電子發(fā)射并有控制的加以利用，如電子束轟擊爐中的電子槍，氣體放電管中的陰極；有時(shí)又要防止電子發(fā)射的出現(xiàn)，如超高真空電離計(jì)中防止離子收集極的光電發(fā)射。7.1.1金屬內(nèi)自由電子的狀態(tài)束縛電子具有的能量較低，只能繞某一個(gè)原子核運(yùn)動(dòng)。自由電子若電子的能量超過一個(gè)特定的能量值（金屬的束縛能級(jí)），則能夠掙脫單個(gè)原子核的束縛，在整塊金屬內(nèi)作自由熱運(yùn)動(dòng)。,金屬中自由電子的濃度很高（），在金屬邊界處具有數(shù)量級(jí)個(gè)大氣壓的巨大壓力，但金屬表面在一般狀態(tài)下并不發(fā)射電子，因?yàn)楸砻嫔嫌凶銐虻牧Γū砻鎰?shì)壘）阻止電子的逸出。金屬自由電子模型,在金屬中作自由熱運(yùn)動(dòng)的自由電子，其速度或動(dòng)能的分布遵守費(fèi)米狄拉克分布函數(shù)。單位體積內(nèi)動(dòng)能在之間的電子數(shù)為,電子密度按能量分布曲線假如金屬溫度為絕對(duì)零度,則在范圍內(nèi)電子密度為零。即所有自由電子都處于的能級(jí)上,費(fèi)米能級(jí)是0K下電子所具有的最大能量。當(dāng)時(shí),少數(shù)電子的能量能提高到的范圍。溫度越高，能量大于費(fèi)米,能級(jí)的電子數(shù)越多，電子的最大能量值也越大。但大部分電子處于的能級(jí)狀態(tài)。金屬的導(dǎo)電能力主要緣于這些自由電子的運(yùn)動(dòng)。將金屬的束縛能級(jí)至費(fèi)米能級(jí)范圍稱金屬的導(dǎo)帶，束縛能級(jí)稱為導(dǎo)帶底。,7.1.2金屬的表面勢(shì)壘和逸出功金屬的逸出功：使金屬中電子能夠克服表面勢(shì)壘所必須給予它的最小能量。由于在絕對(duì)零度下金屬中處于費(fèi)米能級(jí)的電子具有最大能量，所需外界給予的能量就最小，而且費(fèi)米能級(jí)上總有足夠數(shù)量的電子供發(fā)射，不需要發(fā)射更低能級(jí)上的電子，所以,金屬表面勢(shì)壘由偶電層勢(shì)壘和電像力勢(shì)壘兩部分組成。自由電子在金屬邊界處試圖逸出金屬表面，但飛到離子邊界層之外的電子會(huì)受到離子的吸引，因其能量不足又被拉回到金屬中去，即使在絕對(duì)零度下，這種飛出和飛回的過程也不斷的進(jìn)行，于是在金屬邊界處形成了偶電層（最外邊界層的離子和它外側(cè)的電子云），這種偶電層的電場(chǎng)具有阻止電子逸出金屬表面的作用，產(chǎn)生偶電層勢(shì)壘。可以證明偶電層勢(shì)壘的高度等于金屬的費(fèi)米能級(jí)。金屬的逸出功等于電像力勢(shì)壘的高度電像力勢(shì)壘是金屬表面眾多正離子對(duì)逸出表面的電子聯(lián)合吸引作用的結(jié)果,7.2熱電子發(fā)射將金屬加熱到足夠高的溫度，內(nèi)部電子的能量隨著溫度升高而增大，其中一部分電