提到真空，你最先想到什么？
給朋友寄鵝腿要用真空包裝？
不不，換個思路，你還能想到什么？
是小學二年級就學過的“聲音不能在真空中傳播”，還是初中二年級學過的“托里拆利實驗”，亦或是傳說中的“馬德堡半球實驗”？
不管你想到的是什么，真空對于我們來說并不陌生。
如果你了解一下真空的定義，你就會驚奇的發(fā)現(xiàn)，真空一點也不神秘，你也經常跟它打交道。
真空的定義
“真空 (vacuum)”一詞來自希臘語，意為“空的”，但是真空并不是空無所有的狀態(tài)，即便是在銀河系邊緣也有大量物質分子存在?？茖W界對真空的普遍定義為：真空是指“壓強低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)”。
那么仔細想想，當我們喝牛奶的時候，喝口服液的時候，瓶子里的低氣壓狀態(tài)是不是都可以稱作“真空”呢？
更簡單一點，用手堵住針管的一段，拉動活塞，針管里面就是真空狀態(tài)。
不可思議？
沒關系，我們先來看看真空發(fā)現(xiàn)的歷史。
小課堂
早在 1643 年，意大利物理學家托里拆利（Torricelli）就做了一個著名的大氣壓實驗 —— 托里拆利實驗。
他在一段封閉的玻璃管中裝滿水銀（Hg），然后將玻璃管倒扣在盛有水銀的小槽中，玻璃管中的水銀在重力作用下會下降，他發(fā)現(xiàn)，當水銀柱高度下降到 760mm 時就不再下降，托里拆利認為玻璃管上端的空隙就是“真空”狀態(tài)。同時這個實驗也得出結論，一個標準大氣壓強約為 760mm 汞柱。
因為這個實驗揭示了“真空”的存在，為了紀念托里拆利，“托（Torr）”也就成了衡量真空度的單位。
時間過得飛快，1654 年，德國物理學家、馬德堡市的市長奧托?馮?格里克為了進一步驗證大氣壓強的存在，做了著名的馬德堡半球實驗。
他把兩個直徑約為 50 厘米的金屬半球合起來，把里面抽成真空，然后用八匹高頭大馬向相反的方向拉，可是無論如何也拉不開這兩塊半球。這個實驗生動形象又極具感染力地證明了大氣壓強的存在，也讓我們體會到真空的魅力。因為這個實驗是在德國馬德堡市進行的，因此被稱為“馬德堡半球實驗”。
真空的單位及分類
那么根據托里拆利的實驗，我們可以得出以下關系，
1 標準大氣壓 (atm)=760mmHg=760Torr
根據氣體分子運動論，分子在永不停歇地做無規(guī)則運動，在運動中，分子之間會不斷相互碰撞，或者時不時與容器壁碰撞，這些相互碰撞在統(tǒng)計意義上就產生了溫度、壓強等宏觀現(xiàn)象。容器中分子數的多少可以用壓強來衡量，而分子數的多少又反映了真空度的高低。因此真空度可以用壓強來衡量。
真空與壓強的關系為，真空度越高，壓強越小；真空度越低，壓強越大。正因為此，真空度的單位用的是壓強單位。
一個標準大氣壓用帕斯卡（Pa）表示為
1atm=1.013×105Pa
這樣我們就得到不同真空單位之間的換算關系。
有了單位，我們就可以對真空度進行劃分。國際上沒有統(tǒng)一的劃分標準，常用的劃分是這樣的，
粗真空：760Torr~1Torr
低真空：1Torr~10-3Torr
一般真空：10-3Torr~10-6Torr
高真空：10-6Torr~10-9Torr
超高真空：10-9Torr~10-12Tor
那么有了這個標準，我們上面提到的針管中的真空以及托里拆利實驗中的真空就都屬于粗真空的范疇了。
那么實驗室里常用的超高真空狀態(tài)是怎么實現(xiàn)的呢？
這就涉及到了我們的核心內容 —— 真空泵。
抽真空的設備 —— 真空泵
實驗室常用的真空泵有機械泵、渦輪分子泵、離子泵、鈦升華泵、低溫吸附泵、吸氫氣泵幾種，正是這些不同種類的泵一級級地抽，才能達到超高真空狀態(tài)。
我們知道，空氣是由大量的氣體分子構成的，含量最高的是氮氣、氧氣，還有少量的二氧化碳、氫氣、水蒸氣、稀有氣體之類的。
一個密閉容器中所含的氣體分子越少，它的真空度就越高，因此我們抽真空的目的就是盡可能地減少腔體中氣體分子的數目，這就是這些真空泵要做的事情。
這些真空泵按工作原理大致可以分為兩類。一類是將氣體不斷吸入并排出體外的泵，例如機械泵、渦輪分子泵；一類是將氣體分子吸附在內壁上的泵，例如鈦升華泵、低溫吸附泵、吸氫氣泵。不管工作原理如何，這些泵的最終目的都是減少腔體內的氣體分子數。
由于不同泵的構造不同，每種泵都有自己的工作區(qū)間，只有在一定的壓強范圍內才可以正常工作，否則就會損壞。不同泵的工作壓強區(qū)間如下圖所示。
從上圖我們可以看出，要達到超高真空，只用一種泵是無法實現(xiàn)的，需要不同種類的泵接力，像極了我們做科研的過程，不是嗎？團隊合作。
在實驗室，我們先用機械泵抽到粗真空，再打開分子泵抽到高真空，最后用離子泵或者鈦升華泵抽到實驗所需的真空狀態(tài)。
小課堂
為什么實驗室需要超高真空條件呢？
想象一下你變得跟一個分子一樣大小，就像《蟻人》里面那樣，你就會看到空氣中 1023 量級的分子數，這些分子落在樣品表面，就會把樣品污染，無法探測樣品表面的性質。
那么在超高真空的腔體中，究竟還有多少分子呢？我們來做一個簡單的計算。
在統(tǒng)計力學課上我們學過，利用經典力學規(guī)律，把氣體分子看成剛性小球，可以用統(tǒng)計的方法得出氣體壓強公式：
其中，n 為氣體分子數密度，m 是分子質量，按照國際單位制，壓強的單位為 Pa
根據能量均分定律，把每個氣體分子看作質點（即簡化為有質量的點），有三個振動自由度 x,y,z，每個自由度的平均能量為
其中，k=1.38×10-23J / K，為玻爾茲曼常數。則，
這就得出了壓強 P 和分子密度 n 以及溫度 T 的關系。
如果我們在 500℃把真空抽到 5×10-8Pa，即 T=773K，則
可以看出雖然我們已經抽到了超高真空，但是腔體內的分子數還是很多很多，這就是為什么我們要在超高真空條件下進行實驗的原因。
講了這么多，不知道你有沒有想過，我們是如何知道腔體內的真空度有多高的呢？
度量真空的儀器 —— 真空計
是的，就像我們有溫度計和濕度計一樣，我們也有測量真空度的儀器 —— 真空計。
我們已經知道，真空度的高低是用壓強大小來衡量的，因此，真空計也是通過測量壓強的大小來反映真空度的。
真空計根據其工作原理大致可以分為兩類：一類直接測量壓強的大小，稱為絕對真空計，例如 U 型真空計、壓縮式真空計；一類是通過測量與壓強有關的物理量，間接標定壓強的數值，稱為相對真空計，例如熱傳導真空計、電離真空計。在實驗室常用的一般是相對真空計。
熱傳導真空計是一種測量低真空的真空計，顧名思義，就是利用熱量變化來測量真空的儀器。它的原理就是將一根金屬絲通電加熱，由于氣體分子的運動會帶走一部分熱量，因此達到熱平衡時溫度越高，就說明氣體導走的熱量越少，氣體分子密度越小，也就是壓強越低，真空度越高。
電離真空計是目前采用最廣的真空計，是一種測量高真空的真空計，只有在真空抽到一定量級時才可以打開。它的工作原理為：具有足夠能量的電子與氣體分子碰撞，使氣體分子電離，產生正離子和電子；電子在運動過程中與分子碰撞的次數正比于分子數密度，也即壓強 P，因此產生的正離子數就正比于壓強 P，可以通過測量正離子的多少來標定真空度的高低。
小結
如果你能看到這里，那么恭喜你，你已經對真空有了相當多的了解。
一句話總結一下，真空要一級一級抽，抽真空的儀器為真空泵，測量真空度實際是在測量壓強，用的設備為真空計。
那么，在真空的海洋里飽餐一頓之后，也不要忘記你手中的鵝腿，你的胃還在等著飽餐一頓呢。
參考文獻：
[1] 趙寶升，《真空技術》，科學出版社
[2] 郭方準，《實用真空技術》，大連理工大學出版社
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：阿白
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