第2章 真空技術的物理基礎
2.1 氣體基本性質
2.1.1 氣體與蒸氣
物質存在著三種基本狀態：固態、液態和氣態。存在的狀態取決于分子間的作用力及其平均動能的大小。以固態存在的物質，其分子之間的作用力最大，液態次之，氣態最小，甚至可以忽略。然而，氣態物質的分子動能最大，以至可以自由地充滿其所占有的空間。那么，什么是氣體呢？將溫度高于臨界溫度的氣態物質叫做氣體。
氣體是分子的集合體，分子有一定的質量和形狀，通常把氣體分子近似地看做球形體。嚴格來說，單原子的氣體分子是球形體，而雙原子或多原子的氣體分子就不是球形體。例如：氫分子是由雙原子構成的橢球體，其短軸為2.15?（1?=10-10m），而長軸為3.14?；氧分子是由兩個氧原子構成，其形狀也是橢球體，短軸為2.9?，而長軸為3.9?。許多作者由于使用不同的實驗方法和測試手段，得到的分子直徑各不相同。表2-1給出了一些氣體分子直徑的近似值。
表2-1 幾種主要氣體的分子質量、摩爾質量及分子直徑
氣體分子直徑大小還受溫度的影響，隨著溫度的升高，分子直徑變小。表2-2給出了水蒸氣分子和汞原子直徑隨溫度的變化情況。
表2-2 溫度對水蒸氣分子和汞原子直徑的影響
真空系統中除存在氣體外，還有各種物質的蒸氣存在。蒸氣是溫度低于臨界溫度的氣態物質。為了區別氣體或蒸氣，表2-3給出了真空技術中幾種常見物質的臨界溫度。我們有興趣的是室溫下（15～25℃）哪些物質屬于氣體或蒸氣。由表中可見，氦、氖、氮、空氣、氬、氧、氪等，其臨界溫度均低于室溫，顯然在室溫下都屬于氣體。而水、汞、二氧化碳等的臨界溫度均高于室溫。因而，在室溫下的真空系統中屬于蒸氣。
表2-3 氣體臨界溫度
根據理想氣體涵義可見，真空狀態下所有的氣體和蒸氣均可以看做理想氣體。并且真空度越高越接近理想氣體。真空度高，意味著分子密度低，這樣使分子間的距離遠大于分子本身的大小，分子就可以視為幾何點了。既然分子間的距離很大，那么它們之間的作用力是極其微弱的，且可以視為零。這樣，就可以用理想氣體定律描述真空狀態下的氣體了。但蒸氣飽和之后就不是理想氣體了，因而，也就不能用理想氣體定律來描述了。
2.1.2 玻義耳-馬略特定律
一定質量的氣體，在一定的溫度下，不斷改變其壓力，同時測量其相應的體積。結果表明：在這樣的條件下，體積與壓力之間存在著一個簡單關系，就是：當氣體溫度不變時，體積與壓力之積保持一定，這個原理是由玻義耳（1662年）和馬略特（1679年）用實驗來證實的，因而，稱為玻義耳-馬略特定律。可述之如下：
一定質量的氣體，在一定溫度下，體積和壓力的乘積為一常數。即
（2-1a）
若氣體的最初體積為V1，壓力為p1。經等溫壓縮后，體積為V2，壓力為p2，那么由式（2-1a）應有：
（2-1b）
式（2-1b）在真空技術中有重要的應用，麥克勞真空計和膨脹式真空校準系統均是利用這一原理制成的。若已知式（2-1b）中三個參數，那么另一參數便可以求得。
2.1.3 查理定律
1802年查理和盧賽斯用實驗方法得到了這個定律。查理定律表明：一定質量的氣體，如果保持體積不變，其壓力與溫度成正比。即
（2-2）
2.1.4 蓋呂薩克定律
一定質量的氣體，當壓力保持不變時，其體積與溫度成正比，這就是蓋呂薩克定律，其數學表達式為
（2-3）
2.1.5 道爾頓分壓力定律
道爾頓定律指出：相互之間沒有化學作用的混合氣體的總壓力p等于各氣體分壓力pi之和。其數學表達式為
（2-4）
這個定律，在進行真空測量時經常遇到。如果測量某一真空容器中的壓力，若用真空計測量，得到的是總壓力。若用質譜計來測量，得到的是氣體各種組分的分壓力，各分壓力之和應等于總壓力。表2-4給出了各種超高真空系統的分壓力和總壓力的實測值。從表中可以看出，除了個別因為試驗中的誤差外，一般都大體符合分壓力定律。
表2-4 超高真空系統的分壓力和總壓力
注：※：CO+N2；△：因釆用氬濺射裝置，故氬峰高。
2.1.6 阿伏伽德羅定律
體積相同的任何氣體，只需溫度和壓力相同，則所包含的分子數就相等。
把1摩爾（mol）質量的氣體中包含的分子數稱為阿伏伽德羅常數。這個常數對于任何氣體來講都是相同的，即
式中，M為1mol的氣體質量；m0為一個氣體分子的質量。
大家知道，在標準狀態下（壓力為1atm，溫度為0℃），1mol的任何氣體，均具有相等的體積，稱為摩爾體積。1mol氣體的體積為
將阿伏伽德羅常數N0除以摩爾體積V0，就得到了標準狀態下單位體積中的分子數。也叫做勞什密特數，以n0表示
2.1.7 理想氣體的狀態方程
描述氣體狀態需要四個參量，即氣體的質量、壓力、體積和溫度。由實驗總結出來的理想氣體狀態方程，給出了這四個參量之間的關系。其數學表達式如下：
（2-5）
式中 p——氣體壓力，Pa；
V——氣體體積，m3；
m——氣體質量，kg；
M——氣體的摩爾質量，kg/mol；
T——氣體的熱力學溫度，K；
R——通用氣體常數，8.314J/（mol·K），如果p、V、T釆用不同的單位，R亦有不同的單位和值，見表2-5。
表2-5 不同單位的R值
方程（2-5）也稱克拉佩龍綜合方程。由此方程可以導出壓力的常用表達式。
若一個氣體分子的質量為m0，1mol的氣體中有N0（阿伏伽德羅常數）個分子，體積為V的氣體中有N個分子，這樣，式（2-5）中的m=Nm0，M=N0m0，那么，式（2-5）可以寫為
（2-5a）
令
則式（2-5a）為
（2-5b）
式中 p——氣體壓力，Pa；
n——單位體積中的氣體分子數，也稱氣體分子密度，m-3；
k——玻爾茲曼常數，k=1.381×10-23J/K；
T——氣體的熱力學溫度，K。