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真空

发布时间:2016-1-27 9:20:05   新闻来源:admin   浏览次数:1784

    真空zhēn kōng
    英语 vacuum

    按其词源本义是虚空,即一无所有的空间;按现代物理的观点,真空不空,其中包含着极为丰富的物理内容。一种说法是,当容器中的压力低于大气压力时,把低于大气压力的部分叫做真空,而容器内的压力叫绝对压力。另一种说法是,凡压力比大气压力低的容器里的空间都称做真空。真空有程度上的区别:当容器内没有压力即绝对压力等于零时,叫做完全真空;其余叫做不完全真空。
 
    真空的含义及特点
    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/m2,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。
 
    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。
   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,并非什么都没有,它是所有粒子共同的基态,可以这么说,粒子就被激发的真空,真空就是未被激发的粒子,粒子的存在就体现于可以被作用,或者更确切的说,粒子就是一种作用,如果粒子不能被作用,那么就可以说它是真空,任何脱离真空的所谓绝对的孤立的粒子是不存在的,真空时刻都处于一种动态的平衡中,粒子的每一个变化都离不开与真空的互动,粒子和真空的互动是无时无刻都在进行中的,任何绝对静止的物质是不存在的,粒子的本质在于自身的空性。
   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。
   真空和微重力环境是一种宝贵的资源。高真空或超高真空提供一种超洁净条件。微重力则提供一种重力影响很微弱的极端物理条件。如由重力引起的自然对流基本消除,扩散过程成为主要因素;流体中的浮力基本消失,不同液体密度引起的组分分离和沉浮现象消失,液体仅由表面张力约束;润湿和毛细现象加剧;流体静压消失。总之,由重力引起的不利因素几乎消除。利用这些非常理想的环境,可以开展微重力技术物理、微重力生物学和微重力生命科学的研究,进行加工工艺试验和生产制造,以及其它微重力应用的试验研究。
   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,如治疗烧伤的表皮生长素、治疗贫血的红血球生长素、防治病毒感染的免疫血清、治疗肺气肿的胰蛋白酶抑制素、治疗血栓的尿激酶、治疗血友病的抗溶血因子8、治疗糖尿病的β细胞、治疗癌症的干扰素等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.

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