真空

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真空管

真空(vacuum)在真空科学中,真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况。这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气在状态相比较,主要有如下几个基本特点:

( 1 )真空状态下的气体压力低于一个大气压,因此,处于地球表面上的各种真空容器中,必将受到大气压力的作用,其压强差的大小由容器内外的压差值而定。由于作用在地球表面上的一个大气压约为 101325N/m^2,因此当容器内压力很小时,则容器所承受的大气压力可达到一个大气压。

( 2 )真空状态下由于气体稀薄,单位体积内的气体分子数,即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度。因此,分子之间、分子与其他质点(如电子、离子等)之间以及分子与各种表面(如器壁)之间相互碰撞次数相对减少,使气体的分子自由程增大。

物理真空

本指没有任何实物粒子存在的空间,但什么都没有的空间是不存在的。而假设你把一个空间的气体都赶跑,会发现还是不时有基本粒子在真空中出现又消失,无中生有。物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰,能量转化为一对对正反基本粒子,当能量达到波谷,一对对正反基本粒子又相互湮灭,转化为能量。

工业真空

工业上的真空指的是气压比一标准大气压小的气体空间,是指稀薄的气体状态,又可分为高真空、中真空和低真空,地球以及星球中间的广大太空就是真空。一般是用特制的抽气机得到真空的。它的气体稀薄程度用真空计测定,现在已能用分子抽气机和扩散抽气机得到0.0000000001大气压的高真空。真空在科学技术,电真空仪器,电子管和其他电子仪器方面,都有很大用途。

真空断路器
真空区域托(Torr) 压强范围)帕(Pa)
低真空 760~10 101325~1333
中真空 10~10-3 1333~1.33×10-1
高真空 10-3~10-8 1.33×10-1~10-6
超高真空 10-8~10-12 10-6~10-10
极高真空 <10-12 <10-10

 正负电子对撞机

正负电子对撞机的作用绝不仅仅是一对正负电子相撞产生光子和能量那么简单,一对光子也可以相撞产生一对正负质子之类,而相撞使相撞所处的那部分真空可以激发到高能态,可以产生更多各式各样的基本粒子,为研究宇宙的起源和组成服务。  

目录

人类对真空认识的历史发展

人类关于真空的认识经历了几次根本的变革和反复。古希腊德谟克利特的原子论认为所有的物质都是由原子组成,原子之外就是虚空。17世纪R.笛卡儿提出以太漩涡说,认为空间充满了以太,并用以说明行星的运动。不久I.牛顿建立以运动三定律和万有引力定律为基石的牛顿力学,成功地解决了行星绕日运动问题,引力被认为是超距作用的,无需以太阳作为传递媒介,从而否定了以太论。19世纪发现光的波动性,认为波的传播必须依靠介质,特别是后来发现了电磁场的波动性,以太论再度兴起,认为宇宙中不论何时何地,任何物体内无不充满了以太,光和电磁波被解释为以太的机械振动。后来虽然在观念上有所变化,把光和电磁波看成电磁场的振动,但以太仍然保留着某种绝对的性质,它可以看成是描述万物运动的绝对静止的参考系。19世纪末20世纪初各种试图探测地球相对于以太运动速度的实验均告失败,A.爱因斯坦建立狭义相对论,再次否定了这种作为绝对静止以太的存在。稍后,爱因斯坦在用场论观点研究引力现象时,已经认识到空无一物的真空观念是有问题的,他曾提出真空是引力场的某种特殊状态的想法。

真空泵

首先给予真空崭新物理内容的是P.A.M.狄拉克。狄拉克于1930年为了摆脱狄拉克方程负能解的困境,提出真空是充满了负能态的电子海。当负能态的电子吸收了足够的能量跃迁到正能态成为普通电子时,电子海中才能留下可观测的空穴,即正电子。从体系的能量角度考查,这种情况比只有电子海的真空状态要高,因此真空就是能量最低的状态。从现代量子场论的观点看,每一种粒子对应于一种量子场,粒子就是对应的场量子化的场量子。当空间存在某种粒子时,表明那种量子场处于激发态;反之不存在粒子时,就意味着场处于基态。因此,真空是没有任何场量子被激发的状态,或者说真空是量子场系统的基态。

关于真空的近代认识不再是哲学上的思辨,而是可通过实验来检验的。有不少现象都需要用真空的近代观念予以说明。例如氢原子能级的兰姆移位和电子的反常磁矩,实验上已经以非常高的精度证实了真空极化的效应;高能正负电子对撞湮没为高能光子,反之高能光子可使真空激发出大量的粒子,也是很好的明证。对于真空的认识尚属初级探索阶段,物理学家还在探索真空自发破缺和真空相变等问题,必将推动物理学的进一步发展。  

真空的性质

真空具有如下性质:

1、空非无。如果真空中没有粒子,我们就会准确的测出场(0)与场的变化曲率(0),然而海森堡不确定性原理表明,我们不可能同时精确地测出一对共轭量,所以,可以“空”,不能“无”。因此,在真空中,粒子不停地以虚粒子、虚反粒子对的形式凭空产生,而又互相湮灭,在这个过程中,总的能量保持不变。

2、真空存在极性,因此说真空是不对称的。但这种不对称是相对局部的,在相对整体上又是对称的,如此的循环嵌套构成了真空的这个性质。

3、真空的每个局部具备了真空的全体性质。大和小是相对而言的。时间也是相对于空间而言的,时间不能脱离了具体的空间而单独的存在。  

真空和微重力环境利用技术

航天器轨道飞行提供的真空和微重力环境,是一个宝库,为人们提供了地面上难以获得的科学实验和生产工艺条件,进行地面上难以进行的科学实验,生产地面上难以生产的材料、工业产品和药物。

在高真空和微重力环境中进行生命和生物科学实验,不会有有机物污染,发生混入或测定错误,细菌等实验用的微生物不会到处扩散,十分安全。 在零重力或微重力条件下,可进行无容器冶炼,这不会有任何杂质混入,可以获得高品质的合金;可将不同比重的金属或非金属均匀地混合,获得新型合金材料;可以克服地面加工存在的组分过冷起伏和密度大等缺陷,生长出高质量、大直径的单晶体砷化镓等半导体材料;可以生产百分之百圆度的滚珠轴承等圆球工业产品,而在地面上,由于重力的影响,滚珠轴承等总不是真正的球形。

太空制药是真空和微重力环境利用的重要方面。在地面上制药,由于地球重力作用,培养物会发生沉淀,处在沉淀中的微生物会因缺氧而死亡;如输氧搅拌,所形成的低压小气泡又会破坏细胞;如加防泡剂,则会降低氧的溶解度,有碍微生物的繁殖,形成恶性循环。而在微重力环境中,培养物液体中含有大量的气泡,也不会沉淀,微生物可随时获得氧气,生长速度比地面快一倍以上。可高效率、高纯度地制造许多药物,如治疗烧伤表皮生长素、治疗贫血的红血球生长素、防治病毒感染免疫血清、治疗肺气肿胰蛋白酶抑制素、治疗血栓尿激酶、治疗血友病的抗溶血因子8、治疗糖尿病的β细胞、治疗癌症干扰素等40多种。主要的制药方法是电泳法,将组分不同的混合物在直流电场作用下精确地分离成不同成份。其设备第一代为静态电泳仪,第二代为连续流动电泳仪.  

物理学真空

物理学真空,是指对实验结果没有影响的条件,而非空无一物。

例如:如果空气阻力可以忽略不记,在空气中运动的物体,就与在真空中的,有同样的规律。

当空气被抽,稀薄到一定程度,声音不能传出来,我们就说“真空”不能传递声音,而提高侦听能力,或加大发声功率,声音又能被接收到,我们只能说“这个真空度,对现在的声音,还不能称为真空”!

同理,太空可以传递光,也可能是太空中的环境,对光,不成为“真空”,所以光可以传过来,没人证明过纯粹的“真空”可以传递光,因为人类做不到那样的真空。(这是推论,不是证明)另外,光粒子可以在真空中传播,还将与另一定律冲突:在不受外力的真空中,物体将做匀速直线运动,而不会是波动。

光在玻璃中的速度,只相对玻璃恒定,无论玻璃对其它参照系如何运动,所有人都应该承认,玻璃、空气、水等能传播光的就是光介质,以前错误的假设以太介质,不等于光就必然不能有介质。

光不是对任意参照系都是光速,或不能超过光速,光只对“静止”参照系是恒定光速,请仔细阅读爱因斯坦《论动体的电动力学》,这个“静止”,就是介质参照系。因此爱因斯坦的论述,在这个条件下是成立的。大学教材《普通物理学1》假设任何参照系测得的真空中的光速恒定,那么所论述的相对论结论,也只在真空条件有效,然而大家哪个相对论实验,是在真空条件下做的?难道相对论没有使用条件?所以说大学教材的论述,不能证伪,也无法证实,不是科学。

质疑:

声波与光波,在此问题上不具有可比性。

声波载体需具有静质量,光波载体或说光子或说电磁场不具有静质量。

这是两种完全不同的没有可比性的波动。

物理学真空,不是指对实验结果没有影响的条件,而是指静质量密度下降到特定条件以下的空间区域。

极致的物理学真空,就是用现有的物理学手段,“探测不到非零静质量密度”的空间区域。

注意,物理学真空,本身就是具有能量状态的空间区域,或说是一种能量场区域、力场区域。

所以,物理学真空,纯粹地定义,可以说是只能传递力场波动的区域。即不能传递机械波等需静质量载体的波动。

而哲学上的“真空”,纯粹是够纯粹了,但对我们物理世界而言,其存在是“零存在”,也即不存在,也没有存在的意义。

真空专业

开设学校:合肥工业大学 和 东北大学

合肥工业大学:真空专业是机械设计制造及其自动化专业四大模块(机械设计,机械制造,机电一体化,真空)之一。真空作为一门交叉性极强的学科,其应用领域已经渗透到包括机械、电子、生物工程、材料科学、表面科学等各行各业之中。特别是近年来,一些新兴技术的飞速发展,给真空技术提供了越来越广阔的应用舞台。从各种具有特殊功能的纳米材料研制,到集成微机电系统的制造、从大型粒子加速器及受控核聚变的运转,到人造卫星、宇宙飞船的成功上天,真空作为不可或缺的技术和条件,已经被越来越多的人们所充分认识。

真空模块前身是真空获得技术及设备专业,成立于1974年,是国内仅有的两个真空专业之一。30多年来已经培养本科毕业生1000余名。他们在国际国内真空科学技术领域大显身手、大展宏图,取得了骄人的业绩,其中不乏总工、教授、总经理、董事长。多年来,合肥工大真空专业毕业生不但活跃于国内外高精尖科学研究舞台,更是占据了国内真空行业的半壁江山。

本专业1993年获得“真空工程”硕士学位授予权,1997年根据国务院学位办调整的学科专业目录更名为“流体机械及工程”。 主干课程包括:机械学,控制工程,真空技术,薄膜技术等。

学科长期从事流体机械中稀薄气体(真空技术)方面的研究,造就了一支结构合理、学术水平高、科学研究和工程实践能力强、经验丰富的学术队伍,上世纪90年代以来,已获得国家重大装备科技进步一等奖1项,国家发明三等奖1项,省部级科技进步二、三等奖6项,发明专利5项,发表学术论文200余篇。已培养硕士研究生40余名。经过多年的建设与发展,本学科现已形成5个稳定的、特色明显的学术研究方向:流体机械现代设计理论与方法,流体测量与控制技术,真空应用技术,薄膜技术,微纳米加工技术。近年来主持承担国家高科技计划863探索导向类项目、国家自然基金、科技部创新、安徽省自然基金,以及多项企业合作项目。

真空系统:

真空系统结构材料是构成真空系统主体的材料,它将真空系统与大气隔开,承受着大气压力。这类材料主要是各种金属和非金属材料,包括可拆卸连接处的密封垫圈材料。

真空系统的返流包括扩散泵泵液从扩散泵向真空室的迁移和机械泵油对系统(特别是真空室)的有机污染物。油扩散泵工作时,不管使用什么样的泵油,即使泵口加冷阱,也总会或多或少地有一部分油蒸气返流进入高真空端。它们在扩散泵口建立的压力,有时比在泵壁温度下的饱和油蒸气压还要高很多。这不但影响真空系统的极限压力,而且还对被抽容器造成污染,因而返油率是扩散泵系统的主要考核指标。

本专业毕业生基本理论扎实,专业口径宽,实践能力强,思维活跃,富于开拓精神,社会需求量大,一次就业率高。主要进入国内重点研究院所、信息产业、航天、国家大科学工程以及国有大型企业,大多为京、津、沪、广东等经济发达地区。

真空包装真空包装将食品装入包装袋,抽出包装袋内的空气,达到预定真空度后,完成封口工序。 真空充气包装将食品装入包装袋,抽出包装袋内的空气达到预定真空度后,再充入氮气或其它混合气体,然后完成封口工序。

真空包装的主要作用是除氧,以有利于防止食品变质,其原理也比较简单,因食品霉腐变质主要由微生物的活动造成,而大多数微生物(如霉菌和酵母菌)的生存是需要氧气的,而真空包装就是运用这个原理,把包装袋内和食品细胞内的氧气抽掉,使微生物失去生存的环境。

真空测量:

现在真空测量的传感器, 大部分都是用电离规, 并且在中程真空范围用途最广泛。常用的电离真空规测量仪, 都采用模拟电路控制发射电流, 并把它当成固定数来运算, 这样会产生一些不足之处, 例如: 由于外界干扰或元器件老化造成电流有偏差; 或控制环中的漂移产生不稳定, 由此而导致测量误差较大。为消除此类不良现象, 我们应用现代控制理论—PID和Fuzzy控制, 采用数字电路控制发射电流, 控制环中都用16位的高分辨率A/D和D/A,且把发射电流测量值参入运算, 允许发射电流有一定的变化范围。这样既提高了测量精度, 又在它们的线性区域内扩充量程。

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