真空

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真空管

真空(vacuum)在真空科學中,真空的含義是指在給定的空間內低於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於一個大氣壓,因此,處於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。由於作用在地球表面上的一個大氣壓約為 101325N/m^2,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 )真空狀態下由於氣體稀薄,單位體積內的氣體分子數,即氣體的分子密度小於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,但什麼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。一般是用特製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。

真空斷路器
真空區域托(Torr) 壓強範圍)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
極高真空 <10-12 <10-10

 正負電子對撞機

正負電子對撞機的作用絕不僅僅是一對正負電子相撞產生光子和能量那麼簡單,一對光子也可以相撞產生一對正負質子之類,而相撞使相撞所處的那部分真空可以激發到高能態,可以產生更多各式各樣的基本粒子,為研究宇宙的起源和組成服務。  

目錄

人類對真空認識的歷史發展

人類關於真空的認識經歷了幾次根本的變革和反覆。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,並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,無需以太陽作為傳遞媒介,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,特別是後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。後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於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。稍後,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。

真空泵

首先給予真空嶄新物理內容的是P.A.M.狄拉克。狄拉克於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,每一種粒子對應於一種量子場,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,表明那種量子場處於激發態;反之不存在粒子時,就意味著場處於基態。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。

關於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。對於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。如果真空中沒有粒子,我們就會準確的測出場(0)與場的變化曲率(0),然而海森堡不確定性原理表明,我們不可能同時精確地測出一對共軛量,所以,可以「空」,不能「無」。因此,在真空中,粒子不停地以虛粒子、虛反粒子對的形式憑空產生,而又互相湮滅,在這個過程中,總的能量保持不變。

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。時間也是相對於空間而言的,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

太空飛行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。

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,由於重力的影響,滾珠軸承等總不是真正的球形。

太空製藥是真空和微重力環境利用的重要方面。在地面上製藥,由於地球重力作用,培養物會發生沉澱,處在沉澱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,也不會沉澱,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、高純度地製造許多藥物,如治療燒傷表皮生長素、治療貧血的紅血球生長素、防治病毒感染免疫血清、治療肺氣腫胰蛋白酶抑制素、治療血栓尿激酶、治療血友病的抗溶血因子8、治療糖尿病的β細胞、治療癌症干擾素等40多種。主要的製藥方法是電泳法,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.  

物理學真空

物理學真空,是指對實驗結果沒有影響的條件,而非空無一物。

例如:如果空氣阻力可以忽略不記,在空氣中運動的物體,就與在真空中的,有同樣的規律。

當空氣被抽,稀薄到一定程度,聲音不能傳出來,我們就說「真空」不能傳遞聲音,而提高偵聽能力,或加大發聲功率,聲音又能被接收到,我們只能說「這個真空度,對現在的聲音,還不能稱為真空」!

同理,太空可以傳遞光,也可能是太空中的環境,對光,不成為「真空」,所以光可以傳過來,沒人證明過純粹的「真空」可以傳遞光,因為人類做不到那樣的真空。(這是推論,不是證明)另外,光粒子可以在真空中傳播,還將與另一定律衝突:在不受外力的真空中,物體將做勻速直線運動,而不會是波動。

光在玻璃中的速度,只相對玻璃恆定,無論玻璃對其它參照系如何運動,所有人都應該承認,玻璃、空氣、水等能傳播光的就是光介質,以前錯誤的假設以太介質,不等於光就必然不能有介質。

光不是對任意參照系都是光速,或不能超過光速,光只對「靜止」參照系是恆定光速,請仔細閱讀愛因斯坦《論動體的電動力學》,這個「靜止」,就是介質參照系。因此愛因斯坦的論述,在這個條件下是成立的。大學教材《普通物理學1》假設任何參照系測得的真空中的光速恆定,那麼所論述的相對論結論,也只在真空條件有效,然而大家哪個相對論實驗,是在真空條件下做的?難道相對論沒有使用條件?所以說大學教材的論述,不能證偽,也無法證實,不是科學。

質疑:

聲波與光波,在此問題上不具有可比性。

聲波載體需具有靜質量,光波載體或說光子或說電磁場不具有靜質量。

這是兩種完全不同的沒有可比性的波動。

物理學真空,不是指對實驗結果沒有影響的條件,而是指靜質量密度下降到特定條件以下的空間區域。

極致的物理學真空,就是用現有的物理學手段,「探測不到非零靜質量密度」的空間區域。

注意,物理學真空,本身就是具有能量狀態的空間區域,或說是一種能量場區域、力場區域。

所以,物理學真空,純粹地定義,可以說是只能傳遞力場波動的區域。即不能傳遞機械波等需靜質量載體的波動。

而哲學上的「真空」,純粹是夠純粹了,但對我們物理世界而言,其存在是「零存在」,也即不存在,也沒有存在的意義。

真空專業

開設學校:合肥工業大學 和 東北大學

合肥工業大學:真空專業是機械設計製造及其自動化專業四大模塊(機械設計,機械製造,機電一體化,真空)之一。真空作為一門交叉性極強的學科,其應用領域已經滲透到包括機械、電子、生物工程、材料科學、表面科學等各行各業之中。特別是近年來,一些新興技術的飛速發展,給真空技術提供了越來越廣闊的應用舞台。從各種具有特殊功能的奈米材料研製,到集成微機電系統的製造、從大型粒子加速器及受控核聚變的運轉,到人造衛星、宇宙飛船的成功上天,真空作為不可或缺的技術和條件,已經被越來越多的人們所充分認識。

真空模塊前身是真空獲得技術及設備專業,成立於1974年,是國內僅有的兩個真空專業之一。30多年來已經培養本科畢業生1000餘名。他們在國際國內真空科學技術領域大顯身手、大展宏圖,取得了驕人的業績,其中不乏總工、教授、總經理、董事長。多年來,合肥工大真空專業畢業生不但活躍於國內外高精尖科學研究舞台,更是佔據了國內真空行業的半壁江山。

本專業1993年獲得「真空工程」碩士學位授予權,1997年根據國務院學位辦調整的學科專業目錄更名為「流體機械及工程」。 主幹課程包括:機械學,控制工程,真空技術,薄膜技術等。

學科長期從事流體機械中稀薄氣體(真空技術)方面的研究,造就了一支結構合理、學術水平高、科學研究和工程實踐能力強、經驗豐富的學術隊伍,上世紀90年代以來,已獲得國家重大裝備科技進步一等獎1項,國家發明三等獎1項,省部級科技進步二、三等獎6項,發明專利5項,發表學術論文200餘篇。已培養碩士研究生40餘名。經過多年的建設與發展,本學科現已形成5個穩定的、特色明顯的學術研究方向:流體機械現代設計理論與方法,流體測量與控制技術,真空應用技術,薄膜技術,微奈米加工技術。近年來主持承擔國家高科技計劃863探索導向類項目、國家自然基金、科技部創新、安徽省自然基金,以及多項企業合作項目。

真空系統:

真空系統結構材料是構成真空系統主體的材料,它將真空系統與大氣隔開,承受著大氣壓力。這類材料主要是各種金屬和非金屬材料,包括可拆卸連接處的密封墊圈材料。

真空系統的返流包括擴散泵泵液從擴散泵向真空室的遷移和機械泵油對系統(特別是真空室)的有機污染物。油擴散泵工作時,不管使用什麼樣的泵油,即使泵口加冷阱,也總會或多或少地有一部分油蒸氣返流進入高真空端。它們在擴散泵口建立的壓力,有時比在泵壁溫度下的飽和油蒸氣壓還要高很多。這不但影響真空系統的極限壓力,而且還對被抽容器造成污染,因而返油率是擴散泵系統的主要考核指標。

本專業畢業生基本理論紮實,專業口徑寬,實踐能力強,思維活躍,富於開拓精神,社會需求量大,一次就業率高。主要進入國內重點研究院所、信息產業、太空、國家大科學工程以及國有大型企業,大多為京、津、滬、廣東等經濟發達地區。

真空包裝真空包裝將食品裝入包裝袋,抽出包裝袋內的空氣,達到預定真空度後,完成封口工序。 真空充氣包裝將食品裝入包裝袋,抽出包裝袋內的空氣達到預定真空度後,再充入氮氣或其它混合氣體,然後完成封口工序。

真空包裝的主要作用是除氧,以有利於防止食品變質,其原理也比較簡單,因食品霉腐變質主要由微生物的活動造成,而大多數微生物(如黴菌和酵母菌)的生存是需要氧氣的,而真空包裝就是運用這個原理,把包裝袋內和食品細胞內的氧氣抽掉,使微生物失去生存的環境。

真空測量:

現在真空測量的感測器, 大部分都是用電離規, 並且在中程真空範圍用途最廣泛。常用的電離真空規測量儀, 都採用模擬電路控制發無線電流, 並把它當成固定數來運算, 這樣會產生一些不足之處, 例如: 由於外界干擾或元器件老化造成電流有偏差; 或控制環中的漂移產生不穩定, 由此而導致測量誤差較大。為消除此類不良現象, 我們應用現代控制理論—PID和Fuzzy控制, 採用數字電路控制發無線電流, 控制環中都用16位的高解析度A/D和D/A,且把發無線電流測量值參入運算, 允許發無線電流有一定的變化範圍。這樣既提高了測量精度, 又在它們的線性區域內擴充量程。

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