真空

發布時間：2016/1/27 9:20:05   新聞來源：admin   瀏覽次數：15517

    真空zhēn kōng
    英語 vacuum

    按其詞源本義是虛空，即一無所有的空間；按現代物理的觀點，真空不空，其中包含著極為豐富的物理內容。一種說法是,當容器中的壓力低于大氣壓力時,把低于大氣壓力的部分叫做真空,而容器內的壓力叫絕對壓力。另一種說法是,凡壓力比大氣壓力低的容器里的空間都稱做真空。真空有程度上的區別:當容器內沒有壓力即絕對壓力等于零時,叫做完全真空;其余叫做不完全真空。
 
    真空的含義及特點
    在真空科學中，真空的含義是指在給定的空間內低于一個大氣壓力的氣體狀態。人們通常把這種稀薄的氣體狀態稱為真空狀況。這種特定的真空狀態與人類賴以生存的大氣在狀態相比較，主要有如下幾個基本特點：
   （ 1 ）真空狀態下的氣體壓力低于一個大氣壓，因此，處于地球表面上的各種真空容器中，必將受到大氣壓力的作用，其壓強差的大小由容器內外的壓差值而定。由于作用在地球表面上的一個大氣壓約為 101325N/m2，因此當容器內壓力很小時，則容器所承受的大氣壓力可達到一個大氣壓。
   （ 2 ）真空狀態下由于氣體稀薄，單位體積內的氣體分子數，即氣體的分子密度小于大氣壓力的氣體分子密度。因此，分子之間、分子與其他質點（如電子、離子等）之間以及分子與各種表面（如器壁）之間相互碰撞次數相對減少，使氣體的分子自由程增大。
 
    物理真空
    本指沒有任何實物粒子存在的空間，但什么都沒有的空間是不存在的。而假設你把一個空間的氣體都趕跑，會發現還是不時有基本粒子在真空中出現又消失，無中生有。物理上的真空實際上是一片不停波動的能量之海。當能量達到波峰，能量轉化為一對對正反基本粒子，當能量達到波谷，一對對正反基本粒子又相互湮滅，轉化為能量。
 
    工業真空
    工業上的真空指的是氣壓比一標準大氣壓小的氣體空間，是指稀薄的氣體狀態，又可分為高真空、中真空和低真空，地球以及星球中間的廣大太空就是真空。一般是用特制的抽氣機得到真空的。它的氣體稀薄程度用真空計測定，現在已能用分子抽氣機和擴散抽氣機得到0.0000000001大氣壓的高真空。真空在科學技術，電真空儀器，電子管和其他電子儀器方面，都有很大用途。
 
    人類對真空認識的歷史發展
    人類關于真空的認識經歷了幾次根本的變革和反復。古希臘德謨克利特的原子論認為所有的物質都是由原子組成，原子之外就是虛空。17世紀R.笛卡兒提出以太漩渦說，認為空間充滿了以太，并用以說明行星的運動。不久I.牛頓建立以運動三定律和萬有引力定律為基石的牛頓力學，成功地解決了行星繞日運動問題，引力被認為是超距作用的，無需以太作為傳遞媒介，從而否定了以太論。19世紀發現光的波動性，認為波的傳播必須依靠介質，特別是后來發現了電磁場的波動性，以太論再度興起，認為宇宙中不論何時何地，任何物體內無不充滿了以太，光和電磁波被解釋為以太的機械振動。后來雖然在觀念上有所變化，把光和電磁波看成電磁場的振動，但以太仍然保留著某種絕對的性質，它可以看成是描述萬物運動的絕對靜止的參考系。19世紀末20世紀初各種試圖探測地球相對于以太運動速度的實驗均告失敗，A.愛因斯坦建立狹義相對論，再次否定了這種作為絕對靜止以太的存在。稍后，愛因斯坦在用場論觀點研究引力現象時，已經認識到空無一物的真空觀念是有問題的，他曾提出真空是引力場的某種特殊狀態的想法。
   首先給予真空嶄新物理內容的是P.A.M.狄拉克。狄拉克于1930年為了擺脫狄拉克方程負能解的困境，提出真空是充滿了負能態的電子海。當負能態的電子吸收了足夠的能量躍遷到正能態成為普通電子時，電子海中才能留下可觀測的空穴，即正電子。從體系的能量角度考查，這種情況比只有電子海的真空狀態要高，因此真空就是能量最低的狀態。從現代量子場論的觀點看，每一種粒子對應于一種量子場，粒子就是對應的場量子化的場量子。當空間存在某種粒子時，表明那種量子場處于激發態；反之不存在粒子時，就意味著場處于基態。因此，真空是沒有任何場量子被激發的狀態，或者說真空是量子場系統的基態。
   關于真空的近代認識不再是哲學上的思辨，而是可通過實驗來檢驗的。有不少現象都需要用真空的近代觀念予以說明。例如氫原子能級的蘭姆移位和電子的反常磁矩，實驗上已經以非常高的精度證實了真空極化的效應；高能正負電子對撞湮沒為高能光子，反之高能光子可使真空激發出大量的粒子，也是很好的明證。對于真空的認識尚屬初級探索階段，物理學家還在探索真空自發破缺和真空相變等問題，必將推動物理學的進一步發展。
 
   真空的性質
   真空具有如下性質：
   1、空非無，并非什么都沒有，它是所有粒子共同的基態，可以這么說，粒子就被激發的真空，真空就是未被激發的粒子，粒子的存在就體現于可以被作用，或者更確切的說，粒子就是一種作用，如果粒子不能被作用，那么就可以說它是真空，任何脫離真空的所謂絕對的孤立的粒子是不存在的，真空時刻都處于一種動態的平衡中，粒子的每一個變化都離不開與真空的互動，粒子和真空的互動是無時無刻都在進行中的，任何絕對靜止的物質是不存在的，粒子的本質在于自身的空性。
   2、真空存在極性,因此說真空是不對稱的。但這種不對稱是相對局部的，在相對整體上又是對稱的，如此的循環嵌套構成了真空的這個性質。
   3、真空的每個局部具備了真空的全體性質。大和小是相對而言的。時間也是相對于空間而言的，時間不能脫離了具體的空間而單獨的存在。
 
   真空和微重力環境利用技術
   航天器軌道飛行提供的真空和微重力環境，是一個寶庫，為人們提供了地面上難以獲得的科學實驗和生產工藝條件，進行地面上難以進行的科學實驗，生產地面上難以生產的材料、工業產品和藥物。
   真空和微重力環境是一種寶貴的資源。高真空或超高真空提供一種超潔凈條件。微重力則提供一種重力影響很微弱的極端物理條件。如由重力引起的自然對流基本消除，擴散過程成為主要因素；流體中的浮力基本消失，不同液體密度引起的組分分離和沉浮現象消失，液體僅由表面張力約束；潤濕和毛細現象加劇；流體靜壓消失。總之，由重力引起的不利因素幾乎消除。利用這些非常理想的環境，可以開展微重力技術物理、微重力生物學和微重力生命科學的研究，進行加工工藝試驗和生產制造，以及其它微重力應用的試驗研究。
   在高真空和微重力環境中進行生命和生物科學實驗，不會有有機物污染，發生混入或測定錯誤，細菌等實驗用的微生物不會到處擴散，十分安全。 在零重力或微重力條件下，可進行無容器冶煉，這不會有任何雜質混入，可以獲得高品質的合金；可將不同比重的金屬或非金屬均勻地混合，獲得新型合金材料；可以克服地面加工存在的組分過冷起伏和密度大等缺陷，生長出高質量、大直徑的單晶體砷化鎵等半導體材料；可以生產百分之百圓度的滾珠軸承等圓球工業產品，而在地面上，由于重力的影響，滾珠軸承等總不是真正的球形。
   太空制藥是真空和微重力環境利用的重要方面。在地面上制藥，由于地球重力作用，培養物會發生沉淀，處在沉淀中的微生物會因缺氧而死亡；如輸氧攪拌，所形成的低壓小氣泡又會破壞細胞；如加防泡劑，則會降低氧的溶解度，有礙微生物的繁殖，形成惡性循環。而在微重力環境中，培養物液體中含有大量的氣泡，也不會沉淀，微生物可隨時獲得氧氣，生長速度比地面快一倍以上。可高效率、高純度地制造許多藥物，如治療燒傷的表皮生長素、治療貧血的紅血球生長素、防治病毒感染的免疫血清、治療肺氣腫的胰蛋白酶抑制素、治療血栓的尿激酶、治療血友病的抗溶血因子8、治療糖尿病的β細胞、治療癌癥的干擾素等40多種。主要的制藥方法是電泳法，將組分不同的混合物在直流電場作用下精確地分離成不同成份。其設備第一代為靜態電泳儀，第二代為連續流動電泳儀.