真空技術(shù)學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1真空技術(shù)真空技術(shù)第一頁(yè)，共42頁(yè)?？臻g(kngjin)現(xiàn)象分子運(yùn)動(dòng)論范疇固-氣界面現(xiàn)象表面物理學(xué)范疇第1頁(yè)/共42頁(yè)第二頁(yè)，共42頁(yè)。第2頁(yè)/共42頁(yè)第三頁(yè)，共42頁(yè)。第3頁(yè)/共42頁(yè)第四頁(yè)，共42頁(yè)。第4頁(yè)/共42頁(yè)第五頁(yè)，共42頁(yè)。第5頁(yè)/共42頁(yè)第六頁(yè)，共42頁(yè)。第6頁(yè)/共42頁(yè)第七頁(yè)，共42頁(yè)。與液體處于平衡狀態(tài)的蒸汽，其壓強(qiáng)稱(chēng)為飽和(boh)蒸汽壓。對(duì)于一定物質(zhì)飽和(boh)蒸汽壓只取決于溫度第7頁(yè)/共42頁(yè)第八頁(yè)，共42頁(yè)。第8頁(yè)/共42頁(yè)第九頁(yè)，共42頁(yè)。231vmnP 上述壓強(qiáng)(yqing)公式還可以根據(jù)能量均分原理改變?yōu)榱硪粋€(gè)形式。能量均分原理的內(nèi)容是：在粒子數(shù)很多且

2、已經(jīng)達(dá)到熱平衡時(shí)，粒子在每一個(gè)自由度上的能量平均值為1/2KT。根據(jù)此原理，在粒子可以被視為質(zhì)點(diǎn)的情況，它們只有三個(gè)自由度，各個(gè)自由度的平均能量為:第9頁(yè)/共42頁(yè)第十頁(yè)，共42頁(yè)。道爾頓分壓定律在以分子間相互碰撞為主的低真空和分子與器壁碰撞為主的高真空情況下都成立。若將分子看成是質(zhì)點(diǎn)，則它們只有移動(dòng)動(dòng)能，根據(jù)(gnj)能量均分原則，每一質(zhì)點(diǎn)的平均動(dòng)能為結(jié)論：當(dāng)氣體達(dá)到熱平衡時(shí)，各種成份的分子平均動(dòng)能都相等質(zhì)量大的分子速率小，質(zhì)量小的分子速率大。此結(jié)論在真空中有重要意義，例如(lr)氣體擴(kuò)散第10頁(yè)/共42頁(yè)第十一頁(yè)，共42頁(yè)。第11頁(yè)/共42頁(yè)第十二頁(yè)，共42頁(yè)。 由于分子速率在0 之間分布

3、，在其上概率(gil)為上式稱(chēng)為歸一化條件第12頁(yè)/共42頁(yè)第十三頁(yè)，共42頁(yè)。麥克斯韋(mi k s wi)求出 f (v) 分布在速率(sl)區(qū)間vv+dv內(nèi)的分子數(shù)N為 第13頁(yè)/共42頁(yè)第十四頁(yè)，共42頁(yè)。三種(sn zhn)代表性速率最可幾速率 氣體分子平均(pngjn)速率 氣體(qt)方均根速率 第14頁(yè)/共42頁(yè)第十五頁(yè)，共42頁(yè)。分子速率與氣體種類(lèi)（通過(guò)m）有關(guān)，這個(gè)事實(shí)導(dǎo)致“選擇作用”的出現(xiàn)凡與熱運(yùn)動(dòng)速率有關(guān)的現(xiàn)象，其結(jié)果對(duì)各種氣體是不相同的。依據(jù)擴(kuò)散原理進(jìn)行抽氣的擴(kuò)散泵，對(duì)H2的抽氣速率就比N2、CO2等的抽速為大，因?yàn)榍罢叩钠骄俾矢撸换旌蠚怏w通過(guò)一個(gè)管道時(shí)亦發(fā)生“選擇

4、作用”各個(gè)(gg)成份通過(guò)的快慢不一樣，如U235和U238就是利用此現(xiàn)象進(jìn)行分離的。下表給出一些氣體分子平均速率（溫度為15oC時(shí)）。可見(jiàn)(kjin)大多數(shù)氣體分子的平均速率都比聲速（約340米/秒）為快。第15頁(yè)/共42頁(yè)第十六頁(yè)，共42頁(yè)。l 為了解釋巨大的分子速率與緩慢的擴(kuò)散過(guò)程之間的矛盾，克勞修斯于1898年引進(jìn)氣體分子自由程的概念。l 在氣體中，一個(gè)(y )分子從一次碰撞到另一次碰撞之間的路程稱(chēng)為分子平均自由程。l 分子間的碰撞純屬于隨機(jī)過(guò)程，自由程將有短有長(zhǎng)，差異很大。設(shè)想跟蹤某一個(gè)分子的大量自由程，則可期望得到其長(zhǎng)度有一定平均值，這個(gè)平均值稱(chēng)為平均自由程長(zhǎng)度第16頁(yè)/共42頁(yè)第

5、十七頁(yè)，共42頁(yè)。分子(fnz)相互碰撞次數(shù)簡(jiǎn)圖vn2d則平均(pngjn)自由程為如果考慮其他分子在運(yùn)動(dòng)，以及分子速率分布，可嚴(yán)格計(jì)算出這兩個(gè)參量就特定氣體而言就特定氣體而言，溫度溫度T T一定時(shí)一定時(shí)依據(jù)依據(jù)P=n K T，平均自由程可寫(xiě)為平均自由程可寫(xiě)為第17頁(yè)/共42頁(yè)第十八頁(yè)，共42頁(yè)。 分子自由程 與容器尺寸d的比值 稱(chēng)為克魯曾系數(shù)。它是氣體中現(xiàn)象性質(zhì)的一個(gè)(y )很好判據(jù)。 混合氣體中分子(fnz)平均自由程第18頁(yè)/共42頁(yè)第十九頁(yè)，共42頁(yè)。（2）電子的有效(yuxio)直徑遠(yuǎn)小于與分子的有效(yuxio)直徑；它們的運(yùn)動(dòng)速率高，因此同樣可將分子視為靜止的。 則電子平均自由程

6、為第19頁(yè)/共42頁(yè)第二十頁(yè)，共42頁(yè)。第20頁(yè)/共42頁(yè)第二十一頁(yè)，共42頁(yè)。分子相互間的引力導(dǎo)致分子飛行路程彎曲(wnq)，使其更易“碰撞”，則意味著其有效直徑增大。溫度愈低，分子動(dòng)能愈低，引力的效應(yīng)就愈明顯，有效直徑亦增大。第21頁(yè)/共42頁(yè)第二十二頁(yè)，共42頁(yè)。第22頁(yè)/共42頁(yè)第二十三頁(yè)，共42頁(yè)。第23頁(yè)/共42頁(yè)第二十四頁(yè)，共42頁(yè)。N0個(gè)分子飛行 x 路程(lchng)，未遭受碰撞的個(gè)數(shù)為分子自由程長(zhǎng)度(chngd)分布律這就是自由程長(zhǎng)度處在xx + dx間的分子數(shù)。上式規(guī)律不僅適用分子，同樣也適用離子、電子在真空技術(shù)中，絕大多數(shù)都是自由程平均值長(zhǎng)于電極間距真空技術(shù)中，絕大多數(shù)

7、都是自由程平均值長(zhǎng)于電極間距d d。于是。于是似乎電子或離子都將毫無(wú)例外地從一個(gè)電極飛到另一個(gè)電極，實(shí)際上似乎電子或離子都將毫無(wú)例外地從一個(gè)電極飛到另一個(gè)電極，實(shí)際上這個(gè)結(jié)論是不符合實(shí)際情況的。這個(gè)結(jié)論是不符合實(shí)際情況的。第24頁(yè)/共42頁(yè)第二十五頁(yè)，共42頁(yè)。引起電離的碰撞數(shù)與總碰撞數(shù)之比稱(chēng)為引起電離的碰撞數(shù)與總碰撞數(shù)之比稱(chēng)為(chn wi)電離幾率電離幾率第25頁(yè)/共42頁(yè)第二十六頁(yè)，共42頁(yè)。第26頁(yè)/共42頁(yè)第二十七頁(yè)，共42頁(yè)。 氣體分子單位(dnwi)時(shí)間入射到單位(dnwi)面積上的分子數(shù)與分子數(shù)密度 n 成正比，與氣體熱運(yùn)動(dòng)平均速率 v成正比。 第27頁(yè)/共42頁(yè)第二十八頁(yè)，共

8、42頁(yè)。vnvvfnvxxx41d )(0余弦定律基于“吸附(xf)層”假設(shè)：凡碰撞于容器表面的分子都將被表面暫時(shí)吸附(xf)，在表面滯留一段時(shí)間以后再重新 “蒸發(fā)”出來(lái)。該假設(shè)已被試驗(yàn)所證實(shí)。 固體表面對(duì)碰撞分子的漫反射，使得反射出來(lái)氣體分子的運(yùn)動(dòng)方向與入射時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)，這與氣體分子間的碰撞情況相似。第28頁(yè)/共42頁(yè)第二十九頁(yè)，共42頁(yè)。第29頁(yè)/共42頁(yè)第三十頁(yè)，共42頁(yè)。高壓高壓(goy)強(qiáng)，克努曾系強(qiáng)，克努曾系數(shù)較小時(shí)數(shù)較小時(shí)氣體(qt)內(nèi)摩擦現(xiàn)象氣體熱傳導(dǎo)現(xiàn)象氣體擴(kuò)散現(xiàn)象分子粘滯性低壓氣體熱傳導(dǎo)熱流逸現(xiàn)象熱輻射計(jì)力現(xiàn)象非平衡過(guò)程低壓強(qiáng)，克努曾系低壓強(qiáng)，克努曾系數(shù)較大時(shí)數(shù)較大時(shí)第

9、30頁(yè)/共42頁(yè)第三十一頁(yè)，共42頁(yè)。vnvvfnvxxx41d )(0n第31頁(yè)/共42頁(yè)第三十二頁(yè)，共42頁(yè)。n流動(dòng)的氣體，當(dāng)其中存在速度梯度時(shí)，相鄰流動(dòng)層之間的氣體分子在粘滯摩擦力（內(nèi)摩擦力）的作用下形成宏觀流動(dòng)，流層間的內(nèi)摩擦力為第32頁(yè)/共42頁(yè)第三十三頁(yè)，共42頁(yè)。在內(nèi)摩擦現(xiàn)象中，分子輸運(yùn)(sh yn)的物理量就是它們的疊加有向動(dòng)量，輸運(yùn)(sh yn)方程中的g就應(yīng)該是g=m u (Z)第33頁(yè)/共42頁(yè)第三十四頁(yè)，共42頁(yè)。第34頁(yè)/共42頁(yè)第三十五頁(yè)，共42頁(yè)。第35頁(yè)/共42頁(yè)第三十六頁(yè)，共42頁(yè)。在氣體分子運(yùn)動(dòng)論建立的初期(chq)，理論上得到了K、與氣體壓強(qiáng)無(wú)關(guān)的結(jié)論，曾引起不少驚訝。后來(lái)實(shí)驗(yàn)證實(shí)這些結(jié)論完全正確，從而肯定了自由程理論的成功第36頁(yè)/共42頁(yè)第三十七頁(yè)，共42頁(yè)。nn當(dāng)單一成分氣體內(nèi)存在密度梯度時(shí)，密度大處的氣體分子將自發(fā)地向密度小處遷移，單位時(shí)間通過(guò)單位面積遷移的分子數(shù)目與分子數(shù)密度梯度成正比，可以由費(fèi)克第一(dy)定律表示：第37頁(yè)/共42頁(yè)第三十八頁(yè)，共42頁(yè)。單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位截面積的氣體分子質(zhì)量(zhling)遷移量為 擴(kuò)散系數(shù)與氣體種類(lèi)(zhngli)有關(guān)，與氣體溫度、壓力等因素