氣壓計(jì)與真空泵的發(fā)明

我們知道大氣也具有重量，而由于大氣重量產(chǎn)生的大氣壓則作用于地球表面所有的物體上。不過(guò)，這一觀點(diǎn)并不是一開(kāi)始就被人們接受的。17世紀(jì)40年代，一位意大利科學(xué)家開(kāi)始測(cè)量大氣壓，在這一過(guò)程中，他證實(shí)了真空的存在，并發(fā)明了氣壓計(jì)。

伊萬(wàn)格列斯塔·托里切利（1608～1647年）是意大利著名物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。1641年，托里切利以助手的身份協(xié)助年邁的伽利略進(jìn)行科學(xué)研究，而后者則一直認(rèn)為真空不可能存在。1645年，在其助手溫琴佐·維維安尼（1622～1703年）的協(xié)助下，托里切利將一根2米高的玻璃管末端封閉，并用水銀灌滿該玻璃管。之后，使用拇指壓緊開(kāi)口端，使其也處于密閉狀態(tài)，繼而將該玻璃管倒置入裝滿水銀的玻璃盤中，最后移開(kāi)拇指。此時(shí)，一些水銀從玻璃管中流入水銀盤中，水銀柱的高度最終降至76厘米。是什么原因?qū)е逻@些水銀無(wú)法全部流出呢？

托里切利推導(dǎo)出：作用在玻璃盤水銀面上的大氣壓與玻璃管中剩余水銀的重量相等，因此管中水銀柱的高度可作為大氣壓的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。這一設(shè)計(jì)即為氣壓計(jì)。同時(shí)，托里切利也注意到，玻璃管中水銀柱的高度隨每日天氣的變化而稍微變化，由此推斷，大氣壓必然每時(shí)每刻都處于變化之中。1647年，法國(guó)數(shù)學(xué)家萊恩·笛卡兒（1596～1650年）在托里切利發(fā)明的氣壓計(jì)管壁上添加垂直刻度，用其記錄氣象觀測(cè)值。時(shí)至今日，在氣象預(yù)報(bào)中，大氣壓仍是極為重要的參考因素之一，并且常常使用毫米汞柱為單位來(lái)表示，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為760毫米汞柱。

大氣壓隨著海拔的變化而變化，山頂?shù)拇髿鈮罕壬侥_低很多，而高空飛行的噴氣式飛機(jī)所處高度的大氣壓接近零。1771年（距托里切利去世相隔了約1個(gè)世紀(jì)），瑞士地質(zhì)學(xué)家簡(jiǎn)·德呂克（1727～1817年）開(kāi)始使用靈敏氣壓計(jì)測(cè)量山脈高度。現(xiàn)代的飛機(jī)上使用的高度測(cè)量計(jì)也是由氣壓計(jì)改進(jìn)而來(lái)的，不過(guò)已不是水銀類氣壓計(jì)了。

托里切利所設(shè)計(jì)的氣壓計(jì)不利于攜帶，而簡(jiǎn)·德呂克帶上山的氣壓計(jì)也不輕便。1797年，法國(guó)科學(xué)家尼古拉斯·福廷（1750～1831年）發(fā)明了輕便水銀氣壓計(jì)，該氣壓計(jì)使用皮制口袋作為水銀儲(chǔ)蓄池，使用時(shí)，首先旋動(dòng)底部螺旋，口袋會(huì)被稍稍擠壓，使得水銀面與指針恰好在同一水平線上。待一切平穩(wěn)后，再轉(zhuǎn)動(dòng)大氣壓力計(jì)上部的調(diào)節(jié)游標(biāo)螺旋，使其升高至比水銀面稍高后慢慢落下，直到游標(biāo)底部同游標(biāo)后部金屬片的底部同時(shí)與水銀柱凸面頂端相切后，即可從游標(biāo)上讀出刻度，精確測(cè)量大氣壓力。

大事記

1645年 發(fā)明水銀氣壓計(jì)

1654年 古埃瑞克做馬德堡半球?qū)嶒?yàn)

1703年 發(fā)明豪克斯比真空泵

1771年 氣壓計(jì)用作高度儀

1855年 發(fā)明蓋斯勒真空泵

1865年 發(fā)明施普倫格汞汽泵

再次回到托里切利的實(shí)驗(yàn)，試管中水銀液面以上的空間中到底存在著什么？答案是：什么都沒(méi)有。事實(shí)上，這一空間即為真空。科學(xué)家們隨后開(kāi)始研究真空的性質(zhì)及其效應(yīng)，不過(guò)，首先需要一種能夠在實(shí)驗(yàn)室中制造出真空的方法。1654年德國(guó)馬德堡市市長(zhǎng)、物理學(xué)家?jiàn)W托·馮·古埃瑞克發(fā)明了抽氣泵。之所以這樣稱呼，是因?yàn)樗潜挥脕?lái)從容器中抽去空氣的，時(shí)至今日，我們又稱之為真空泵。當(dāng)時(shí)，古埃瑞克便用真空泵將一對(duì)緊閉的銅質(zhì)半球中的空氣抽光，使其處于真空狀態(tài)。由于大氣壓，這兩個(gè)銅質(zhì)半球緊緊地連在一起，以至于16匹馬也無(wú)法將它們分開(kāi)。這一實(shí)驗(yàn)即為著名的“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”。

隨著時(shí)間的推移，更多的高效真空泵被一一發(fā)明，而科學(xué)家們也逐漸開(kāi)始利用真空泵做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。在真空泵發(fā)明后不久，羅伯特·波義耳（1627～1691年）便開(kāi)始在其實(shí)驗(yàn)中利用真空泵研究空氣與其他氣體的性質(zhì)。1703年，英國(guó)物理學(xué)家弗朗西斯·豪克斯比（約1666～1713年）發(fā)明了改良真空泵。1855年，德國(guó)物理學(xué)家海因里希·蓋斯勒（1815～1906年）使用自己發(fā)明的真空泵研究低壓狀態(tài)下的放電現(xiàn)象。10年后，英籍德裔科學(xué)家赫爾曼·施普倫格（1834～1906年）在蓋斯勒真空泵的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行改進(jìn)，使其成為自動(dòng)真空泵，并且能夠產(chǎn)生更高氣壓的真空狀態(tài)（因?yàn)橐话愕恼婵毡貌荒軐⒖臻g中氣體完完全全地抽走，總會(huì)留下少許氣體分子）。今日，施普倫格真空泵仍較為常用，這是一種汞汽泵，又稱“擴(kuò)散泵”，其工作原理為：汞氣體能夠“捕獲”空氣分子，并將其帶離所在空間，并由此產(chǎn)生真空。該儀器在科學(xué)研究中發(fā)揮了極大的作用，之后，科學(xué)家們利用施普倫格真空泵做出了一系列重大發(fā)現(xiàn)，例如發(fā)現(xiàn)電子，發(fā)現(xiàn)大氣中的“稀有氣體”，以及發(fā)明電燈泡等。