真空物理基礎(chǔ)(第三講)

真空物理基礎(chǔ)(第三講)第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、真空狀態(tài)下氣體的流動第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、流動狀態(tài)及其判據(jù)

真空技術(shù)中氣體沿管道的流動狀態(tài)可分為三種基本形式：湍流（渦流、紊流），黏滯流（層流、片流），分子流（克努孫流、自由分子流）。從某一流動狀態(tài)到另一種流動狀態(tài)之間沒有截然的分界。１、湍流和黏滯流的判據(jù)－－－雷諾數(shù)當(dāng)R>2200時(shí)，為湍流當(dāng)R<1200時(shí)，為黏滯流中間范圍，為湍-黏滯流第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月２、黏滯流和分子流的判據(jù)－克努孫數(shù)l/d可以作為兩種流動形式的判據(jù)，稱為克努孫數(shù)Kn。l/d<0.01為黏滯流；l/d>1為分子流；0.01<l/d<1為黏滯-分子流（過度流）l與p成反比,l為氣體的平均自由程，d為管道直徑第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、流動過程的基本物理量及其相互關(guān)系１、體積流速在一定壓力p下，單位時(shí)間流過某截面的氣體體積V稱為體積流速（或稱抽速）２、流量單位時(shí)間內(nèi)流過某截面的氣體量稱為流量Q-流量，Pa.m３/s；P-壓強(qiáng)，Pa第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月３、流阻R和流導(dǎo)C氣體沿管道流動時(shí)，推動力是管道兩端的壓力差（p2–p1

）第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、管道的流導(dǎo)計(jì)算１、黏滯流態(tài)時(shí)管道的流導(dǎo)計(jì)算第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月B、長導(dǎo)管的流導(dǎo)計(jì)算第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月２、分子流態(tài)時(shí)管道的流導(dǎo)計(jì)算第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3、黏滯-分子流時(shí)，長直圓管道的流導(dǎo)計(jì)算200C時(shí)：第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月三、氣體的熱傳導(dǎo)氣體的熱傳導(dǎo)：熱對流傳熱和熱輻射（一）、真空度比較低情況（l<<d）傅立葉熱傳導(dǎo)定律第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、真空度較高時(shí)（l>d）第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、中真空情況（l≈d）第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月四、蒸發(fā)與凝結(jié)單位時(shí)間在單位面積上由液態(tài)（或固態(tài)）轉(zhuǎn)化氣體的質(zhì)量稱為蒸發(fā)率第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月單位時(shí)間在單位面積上由氣體轉(zhuǎn)化的液態(tài)（或固態(tài)）質(zhì)量稱為凝結(jié)率第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月五、吸附與脫附（一）、吸附現(xiàn)象及吸附機(jī)理1、吸附現(xiàn)象

氣體被固體表面俘獲而附著在固體表面上的現(xiàn)象稱為吸附。吸附氣體的固體稱為“吸附劑”，被吸附的氣體稱為“吸附質(zhì)”物理吸附：是指氣體靠范德瓦爾斯力吸附在固體吸附劑上。吸附劑和吸附質(zhì)化學(xué)性質(zhì)保持不變。物理吸附過程對溫度和壓力變化是可逆的。第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)吸附：是指氣體分子與固體表面原子間形成吸附化學(xué)鍵。由于吸附鍵的強(qiáng)烈影響，氣體分子的結(jié)構(gòu)變化比較大，好似發(fā)生于表面的化學(xué)反應(yīng)。溫度和壓力對化學(xué)吸附有也有明顯的影響。一般而言，化學(xué)吸附過程對壓力是可逆的，對溫度是不可逆的。

吸附現(xiàn)象可以用吸附熱、吸附量、表面復(fù)蓋度、平均吸附時(shí)間、吸附速率、表面形成單分子層時(shí)間等進(jìn)行描述和表征。（1）、吸附熱和脫附能：吸附過程中，由于氣體分子勢能減少會放出能量，固體表面吸附1mol氣體所放出的熱量稱為“吸附熱”，單位J/mol。相反，氣體分子脫離固體表面外界所供給的能量，稱為“脫附能”。數(shù)量相等第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）、吸附量：固體表面單位面積上吸附氣體的數(shù)量稱為吸附量，單位：分子數(shù)/cm2。（3）、表面復(fù)蓋度：固體表面吸附的氣體分子數(shù)與表面可能吸附的總分子數(shù)目之比。（4）、吸附速率：單位表面積、單位時(shí)間吸附氣體分子的數(shù)目，即單位時(shí)間內(nèi)的吸附量。（5）、平均吸附時(shí)間：氣體分子從固體表面吸附到脫附固體表面（脫附）所經(jīng)歷的時(shí)間。（6）、表面形成單分子層的時(shí)間：單層氣體分子布滿固體表面所需要的時(shí)間稱為“表面形成單分子層時(shí)間”。第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2、吸附機(jī)理吸附現(xiàn)象的本質(zhì)是固體表面與氣體分子間的相互作用（1）、固體表面分子（原子）與氣體分子表面間的相互作用rfo力分子斥力引力第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月rfo力分子斥力引力A、吸引力和排斥力

很多物質(zhì)的分子引力作用半徑約為分子直徑的兩倍左右，超過這一距離，分子間相互作用力已很少。

排斥力作用半徑就是兩分子剛好“接觸”時(shí)兩質(zhì)心間的距離。B、分子力與分子熱運(yùn)動

分子力是一種電磁相互作用力，故它是一種保守力，它應(yīng)該有勢能，稱為分子作用力勢能。第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月rEp(r)r0Ep0分子互作用勢能曲線設(shè)無窮遠(yuǎn)處為零勢能點(diǎn)。分子力(2)、固體表面對分子的作用力第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）、物理吸附與化學(xué)吸附物理吸附化學(xué)吸附吸附熱幾千~幾萬J/mol；與氣體的液化熱相近大于幾十萬J/mol；與化學(xué)反應(yīng)熱接近吸附溫度物理吸附溫度接近氣體的沸點(diǎn)化學(xué)吸附溫度比較高，吸附劑進(jìn)行化學(xué)吸附吸附穩(wěn)定性溫度和壓力的可逆過程，吸附不穩(wěn)定。對溫度是不可逆的，吸附比較穩(wěn)定吸附的選擇性范德瓦爾斯力，吸附無選擇性具有選擇性，固體表面與氣體分子的化學(xué)活性吸附的作用范圍可以形成單分子層或多分子吸附層只能是單分子層吸附吸附和脫附速率類似于凝聚，無需激活能，吸、脫附快類似于化學(xué)反應(yīng)，需要一定的激活能第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、吸附和脫附過程的描述1、吸附速率吸附的首要條件是氣體分子與固體表面的碰撞固體表面單位時(shí)間、單位面積上碰撞氣體分子的吸附數(shù)目稱為吸附速率，用va來表示第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月

a~吸附幾率，表示入射氣體分子被固體表面吸附的幾率，對于物理吸附，稱為凝聚幾率；對化學(xué)吸附，稱為粘附幾率。

Z~氣體分子對固體表面的碰撞頻率，即單位時(shí)間入射到單位固體表面上的分子數(shù)目。吸附幾率的物理意義為發(fā)生吸附的入射分子數(shù)占總?cè)肷浞肿訑?shù)的比率。大小與下列因素有關(guān)：（1）、激活能：能量高于吸附激活能的那部分入射氣體分子才能發(fā)生化學(xué)吸附，物理吸附的激活能為零。（2）、表面覆蓋率：表面蓓分子覆蓋（物理吸附和化學(xué)吸附）的程度。（3）、吸附成功率：氣體分子碰撞到固體表面能否被吸附取決于碰撞機(jī)制?；瘜W(xué)吸附，物理吸附。第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2、脫附幾率吸附在固體表面上的氣體分子在低壓下或受熱時(shí)，將脫離固體表面的束縛回到空間之中，此過程即是脫附過程。單位時(shí)間、單位面積上脫附的氣體分子數(shù)目稱為脫附速率。NA~單位固體表面能吸附的氣體分子數(shù)目；Vd~脫附速率；θ~表面覆蓋率；τ~平均吸附時(shí)間吸附過程與脫附過程是同時(shí)進(jìn)行第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、溶解與滲透1、氣體在固體中的溶解2、氣體在固體中的擴(kuò)散和滲透氣體分子在固體中的溶解要經(jīng)歷吸附、離解、溶解和在固體內(nèi)的擴(kuò)散過程。

當(dāng)溶解在固體中的氣體存在濃度差時(shí)，氣體將在固體在中擴(kuò)散，直至達(dá)到濃度平衡。這種擴(kuò)散與氣體自擴(kuò)散和互擴(kuò)散過程類似，也遵守菲克定理，即擴(kuò)散氣體量與濃度梯度成正比。第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月六、荷能粒子與固體表面的相互作用

荷能粒子與表面相互作用所產(chǎn)生的次級效應(yīng)是各種表面分析技術(shù)的基礎(chǔ)，許多真空應(yīng)用設(shè)備、電真空器件、電離型真空規(guī)、帶有電離機(jī)制的真空泵都有荷能粒子。一般來說，荷能粒子是指具有一定動能的電子、光子、重粒子（質(zhì)子、中子、離子、原子）。（一）、荷能粒子在真空技術(shù)中的實(shí)際意義

1、在可控?zé)岷朔磻?yīng)真空空間中，從等離子體內(nèi)所逃逸的荷能粒子撞擊器件表面，產(chǎn)生氣相雜質(zhì)，嚴(yán)重地影響等離子體的濃度和溫度。第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2、高能加速器交叉儲存環(huán)要求良好的超高真空環(huán)境，然爾高能粒子轟擊脫附出氣，會破壞已經(jīng)達(dá)到的真空度。3、重粒子對材料的濺射剝蝕是濺射離子泵、濺射鍍膜、離子刻蝕的基本工作依據(jù)。4、在電場驅(qū)動下離子被壁面或電極俘獲，是吸氣劑--離子泵、電清除的作用機(jī)理。5、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。6、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之一。第34頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月7、在電真空器件中電子、離子與電極的相互作用，是造成其中“物質(zhì)遷移”的一個(gè)環(huán)節(jié)。8、軟x射線光電流、電子誘導(dǎo)脫附，是影響電離規(guī)的測量下限的因素。9、場致電子發(fā)射與冷陰極型電離真空規(guī)的測量下限有關(guān)。更重要的是，可以用這些粒子以及熱、強(qiáng)電場為探針作用于固體表面，然后分析出射粒子的情況，以獲得固體表面的豐富信息。第35頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月*荷能粒子與固體表面會發(fā)生兩種可能碰撞：1、彈性