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真空的基本概念、原理和认识过程

更新时间:2020-07-29 15:20:44人气:29

真空

基本概念

按其词源原本是指虚空,即一无所有的空间。工业和真空科学上的真空指的是,当容器中的压力低于大气压力时,把低于大气压力的部分叫做真空,而容器内的压力叫绝对压力;另一种说法是,凡压力比大气压力低的容器里的空间都称做真空。工业真空有程度上的区别:当容器内没有压力即绝对压力等于零时,叫做完全真空;其余叫做不完全真空。而狭义相对论等狄拉克之前的物理理论中的真空则特指不存在任何物质的空间状态,对应于工业里的完全真空。按现代物理量子场论的观点,真空不空,其中包含着极为丰富的物理内容。狭义相对论等理论中的真空只是普朗克常数趋于0时的近似情形。

真空科学

远在1643年,意大利物理学家托里拆利发现,真空和自然空间有大气和大气压力存在。他将一根一端封闭的长玻璃管灌满汞,并倒立于汞槽中时,发现管中汞面下降,直至与管外的汞面相差76厘米时为止。托里拆利认为,玻璃管汞面上的空间是真空,76厘米高的汞柱是因为存在大气压力的缘故。

1650年,德国的盖利克制成活塞真空泵。

1654年,他在马德堡进行了著名的马德堡半球试验:用真空泵将两个合在一起的、直径为14英寸(35。5厘米)的铜半球抽成真空,然后用两组各八匹马以相反方向拉拽铜球,始终未能将两半球分开。这个著名的试验又一次证明,空间有大气存在,且大气有巨大的压力。为了纪念托里拆利在科学上的重大发现和贡献,以往习用的真空压力单位就是用他的名字命名的。

19世纪中后期,英国工业革命的成功,促进了生产力和科学实验发展,同时也推动了真空技术的发展。

1850年和1865年,先后发明了汞柱真空泵和汞滴真空泵,从而研制成了白炽灯泡(1879)、阴极射线管(1879)、杜瓦瓶(1893)和压缩式真空计(1874)。压缩式真空计的应用首次使低压力的测量成为可能。

20世纪初,真空电子管出现,促使真空技术向高真空发展。

1935~1937年发明了气镇真空泵、油扩散泵和冷阴极电离计。这些成果和1906年制成的皮拉尼真空计至今仍为大多数真空系统所常用。

1940年以后,真空应用扩大到核研究(回旋加速器和同位素分离等)、真空冶金、真空镀膜和冷冻干燥等方面,真空技术开始成为一个独立的学科。第二次世界大战期间,原子物理试验的需要和通信对高质量电真空器件的需要,又进一步促进了真空技术的发展。

基本原理

真空是物理学里面的一个概念,最开始反映的是空无一物的状态,类似于“无”。20世纪P。A。M。狄拉克提出了所谓量子真空的概念,即真空并不是空无一物而是时刻有虚粒子与实物粒子转化的,但整体是对外不显物理属性的宏观总体。真空是能量海,是一个不断振荡的充满着巨大能量的客观存在;而空间只是数学上的一个概念,是反映的是运动的属性和几何大小的概念。也就是说,空间和真空一个是数学概念一个是物理概念,二者没有丝毫的包含关系。真空的属性的确需要使用空间来描述,但那只是种数学表示,是为了方便研究才引入的参量,并不是说真空的性质取决于空间。

认识过程

人类关于真空的认识经历了几次根本的变革和反复。古希腊德谟克利特的原子论认为所有的物质都是由原子组成,原子之外就是虚空。17世纪R。笛卡儿提出以太漩涡说,认为空间充满了以太,并用以说明行星的运动。不久I。牛顿建立以运动三定律和万有引力定律为基石的牛顿力学,成功地解决了行星绕日运动问题,引力被认为是超距作用的,无需以太阳作为传递媒介,从而否定了以太论。19世纪发现光的波动性,认为波的传播必须依靠介质,特别是后来发现了电磁场的波动性,以太论再度兴起,认为宇宙中不论何时何地,任何物体内无不充满了以太,光和电磁波被解释为以太的机械振动。后来虽然在观念上有所变化,把光和电磁波看成电磁场的振动,但以太仍然保留着某种绝对的性质,它可以看成是描述万物运动的绝对静止的参考系。19世纪末20世纪初各种试图探测地球相对于以太运动速度的实验均告失败,A。爱因斯坦建立狭义相对论,再次否定了这种作为绝对静止以太的存在。稍后,爱因斯坦在用场论观点研究引力现象时,已经认识到空无一物的真空观念是有问题的,他曾提出真空是引力场的某种特殊状态的想法。

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