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1、真空物理基础(第三讲)第1页，本讲稿共37页二、真空状态下气体的流动二、真空状态下气体的流动第2页，本讲稿共37页（一）、流动状态及其判据（一）、流动状态及其判据真空技术真空技术中气体沿管道的流动状态可分为三种基本形式：湍流中气体沿管道的流动状态可分为三种基本形式：湍流（涡流、紊流），黏滞流（层流、片流），分子流（克努孙流、自（涡流、紊流），黏滞流（层流、片流），分子流（克努孙流、自由分子流）。从某一流动状态到另一种流动状态之间没有截然的分由分子流）。从某一流动状态到另一种流动状态之间没有截然的分界。界。、湍流和黏滞流的判据、湍流和黏滞流的判据雷诺数雷诺数当当R2200时，为时，为湍流湍流当当
2、R1200时，为时，为黏滞流黏滞流中间范围，为中间范围，为湍湍-黏滞流黏滞流第3页，本讲稿共37页、黏滞流和分子流的判据克努孙数、黏滞流和分子流的判据克努孙数l/d可以作为两种流动形式的判据，称为可以作为两种流动形式的判据，称为克努孙数克努孙数Kn。l/d1为分子流；为分子流；0.01l/d1为黏滞为黏滞-分子流（过度流）分子流（过度流）l与与p成反比成反比,l为气体的平均自由程，为气体的平均自由程，d为管道直径为管道直径第4页，本讲稿共37页（二）、流动过程的基本物理量及其相互关系（二）、流动过程的基本物理量及其相互关系、体积流速、体积流速 在一定压力在一定压力p下，单位时间流过某截面的气体
3、体积下，单位时间流过某截面的气体体积V称为称为体积体积流速（或称抽速流速（或称抽速）、流量、流量单位时间内流过某截面的气体量称为单位时间内流过某截面的气体量称为流量流量Q-流量，Pa.m/s；P-压强，Pa第5页，本讲稿共37页、流阻、流阻R和流导和流导C气体沿管道流动时，推动力是管道两端的气体沿管道流动时，推动力是管道两端的压力差（压力差（p2 p1）第6页，本讲稿共37页（三）、管道的流导计算（三）、管道的流导计算、黏滞流态时管道的流导计算、黏滞流态时管道的流导计算第7页，本讲稿共37页B、长导管的流导计算、长导管的流导计算第8页，本讲稿共37页第9页，本讲稿共37页第10页，本讲稿共37
4、页、分子流态时管道的流导计算、分子流态时管道的流导计算第11页，本讲稿共37页第12页，本讲稿共37页3、黏滞、黏滞-分子流时，长直圆管道的流导计算分子流时，长直圆管道的流导计算20 0C时：第13页，本讲稿共37页三、气体的热传导三、气体的热传导气体的气体的热传导热传导：热：热对流对流传热和传热和热辐射热辐射（一）、真空度比较低情况（一）、真空度比较低情况（ld）第16页，本讲稿共37页第17页，本讲稿共37页（三）、中真空情况（ld）第18页，本讲稿共37页第19页，本讲稿共37页四、蒸发与凝结四、蒸发与凝结 单位时间在单位面积上由液态（或固态）转化气体的质单位时间在单位面积上由液态（或固
5、态）转化气体的质量称为量称为蒸发率蒸发率第20页，本讲稿共37页 单位时间在单位面积上由气体转化的液态（或固态）单位时间在单位面积上由气体转化的液态（或固态）质量称为质量称为凝结率凝结率第21页，本讲稿共37页五、吸附与脱附五、吸附与脱附（一）、吸附现象及吸附机理（一）、吸附现象及吸附机理1、吸附现象、吸附现象 气体被固体表面俘获而气体被固体表面俘获而附着附着在固体表面上的现象称为在固体表面上的现象称为吸附吸附。吸附气体的固体称为吸附气体的固体称为“吸附剂吸附剂”，被吸附的气体称为，被吸附的气体称为“吸附质吸附质”物理吸附物理吸附：是指气体靠：是指气体靠范德瓦尔斯力范德瓦尔斯力吸附在固体吸附剂
6、吸附在固体吸附剂 上。吸附剂和吸附质上。吸附剂和吸附质化学性质化学性质保持不变。物理保持不变。物理 吸附过程对温度和压力变化是吸附过程对温度和压力变化是可逆可逆的。的。第22页，本讲稿共37页化学吸附化学吸附：是指：是指气体分子与固体表面原子间气体分子与固体表面原子间形成形成吸附化学键吸附化学键。由于吸附键的由于吸附键的强烈影响强烈影响，气体分子的结构变化比较，气体分子的结构变化比较 大，好似发生于大，好似发生于表面的化学反应表面的化学反应。温度和压力对化温度和压力对化 学吸附有也有明显的影响。学吸附有也有明显的影响。一般而言，化学吸附过一般而言，化学吸附过 程对压力是可逆的，对温度是不可逆的
7、。程对压力是可逆的，对温度是不可逆的。吸附现象吸附现象可以用可以用吸附热、吸附量、表面复盖度、平均吸附时间、吸附热、吸附量、表面复盖度、平均吸附时间、吸附速率、表面形成单分子层时间吸附速率、表面形成单分子层时间等进行描述和表征。等进行描述和表征。（1）、）、吸附热和脱附能吸附热和脱附能：吸附过程中，由于气体分子势能减：吸附过程中，由于气体分子势能减 少会放出能量，固体表面吸附少会放出能量，固体表面吸附1mol气体所放出的热量气体所放出的热量 称为称为“吸附热吸附热”，单位，单位J/mol。相反，气体分子脱离固相反，气体分子脱离固 体表面外界所供给的能量，称为体表面外界所供给的能量，称为“脱附能
8、脱附能”。数量相等。数量相等第23页，本讲稿共37页（2）、）、吸附量吸附量：固体表面单位面积上吸附气体的数量称为吸：固体表面单位面积上吸附气体的数量称为吸 附量，单位：分子数附量，单位：分子数/cm2。（3）、）、表面复盖度表面复盖度：固体表面吸附的气体分子数与表面可能：固体表面吸附的气体分子数与表面可能 吸附的总分子数目之比。吸附的总分子数目之比。（4）、）、吸附速率吸附速率：单位表面积、单位时间吸附气体分子的数：单位表面积、单位时间吸附气体分子的数 目，即单位时间内的吸附量。目，即单位时间内的吸附量。（5）、）、平均吸附时间平均吸附时间：气体分子从固体表面吸附到脱附固体表面：气体分子从固
9、体表面吸附到脱附固体表面（脱附）所经历的时间。（脱附）所经历的时间。（6）、）、表面形成单分子层的时间表面形成单分子层的时间：单层气体分子布满固体表面所：单层气体分子布满固体表面所需要的时间称为需要的时间称为“表面形成单分子层时间表面形成单分子层时间”。第24页，本讲稿共37页2、吸附机理、吸附机理吸附现象的吸附现象的本质本质是是固体表面固体表面与与气体分子间的气体分子间的相互作用相互作用（1）、固体表面分子（原子）与气体分子表面间的相互作用）、固体表面分子（原子）与气体分子表面间的相互作用rfo力力分分子子斥斥力力引引力力第25页，本讲稿共37页rfo力力分分子子斥斥力力引引力力A、吸引力和
10、排斥力、吸引力和排斥力 很多物质的分子很多物质的分子引力引力作用半作用半径约为分子直径的两倍左右，超过径约为分子直径的两倍左右，超过这一距离，分子间相互作用力已很这一距离，分子间相互作用力已很少。少。排斥力排斥力作用半径就是两分子刚好作用半径就是两分子刚好“接触接触”时两质心间的距离时两质心间的距离。B、分子力与分子热运动、分子力与分子热运动 分子力是一种电磁相互作用力，故它是一种保守力，它应该有势能，分子力是一种电磁相互作用力，故它是一种保守力，它应该有势能，称为分子作用力势能。称为分子作用力势能。第26页，本讲稿共37页rEp(r)r0Ep0分子互作用势能曲线分子互作用势能曲线 设无穷远处
11、设无穷远处为为零零势能点。势能点。分子力分子力(2)、固体表面对分子的作用力、固体表面对分子的作用力第27页，本讲稿共37页（3）、物理吸附与化学吸附）、物理吸附与化学吸附物理吸附化学吸附吸附热几千几万J/mol；与气体的液化热相近大于几十万J/mol；与化学反应热接近吸附温度物理吸附温度接近气体的沸点化学吸附温度比较高，吸附剂进行化学吸附吸附稳定性温度和压力的可逆过程，吸附不稳定。对温度是不可逆的，吸附比较稳定吸附的选择性范德瓦尔斯力，吸附无选择性具有选择性，固体表面与气体分子的化学活性吸附的作用范围可以形成单分子层或多分子吸附层只能是单分子层吸附吸附和脱附速率类似于凝聚，无需激活能，吸、脱
12、附快类似于化学反应，需要一定的激活能第28页，本讲稿共37页（二）、吸附和脱附过程的描述（二）、吸附和脱附过程的描述1、吸附速率、吸附速率吸附的首要条件是气体分子与固体表面的碰撞吸附的首要条件是气体分子与固体表面的碰撞 固体表面单位时间、单位面积上碰撞气体分子的吸固体表面单位时间、单位面积上碰撞气体分子的吸附数目称为吸附速率，用附数目称为吸附速率，用va来表示来表示第29页，本讲稿共37页 a吸附几率吸附几率，表示入射气体分子被固体表面吸附的几率，对于物理，表示入射气体分子被固体表面吸附的几率，对于物理吸附，称为凝聚几率；对化学吸附，称为粘附几率。吸附，称为凝聚几率；对化学吸附，称为粘附几率。
13、Z气体分子气体分子对对固体表面的碰撞固体表面的碰撞频频率率，即，即单单位位时间时间入射到入射到单单位固位固体表面上的分子数目。体表面上的分子数目。吸附几率的吸附几率的物理意义物理意义为发生吸附的入射分子数占总入射分子数的比为发生吸附的入射分子数占总入射分子数的比率。大小与下列因素有关：率。大小与下列因素有关：（1）、）、激活能激活能：能量高于吸附激活能的那部分入射气体分子才能：能量高于吸附激活能的那部分入射气体分子才能发生化学吸附，物理吸附的激活能为零。发生化学吸附，物理吸附的激活能为零。（2）、）、表面覆盖率表面覆盖率：表面蓓分子覆盖（物理吸附和化学吸附）的程度。：表面蓓分子覆盖（物理吸附和
14、化学吸附）的程度。（3）、）、吸附成功率吸附成功率：气体分子碰撞到固体表面能否被吸附取决于碰：气体分子碰撞到固体表面能否被吸附取决于碰撞机制。化学吸附撞机制。化学吸附 ，物理吸附。，物理吸附。第30页，本讲稿共37页2、脱附几率、脱附几率 吸附在固体表面上的气体分子在低压下或受热时，将脱离固吸附在固体表面上的气体分子在低压下或受热时，将脱离固体表面的束缚回到空间之中，此过程即是脱附过程。体表面的束缚回到空间之中，此过程即是脱附过程。单位时间、单位时间、单位面积单位面积上脱附的气体分子数目称为上脱附的气体分子数目称为脱附速率脱附速率。NA单单位固体表面能吸附的气体分子数目；位固体表面能吸附的气体
15、分子数目；Vd脱附速率；脱附速率；表表面覆盖率；面覆盖率；平均吸附平均吸附时间时间吸附过程与脱附过程是吸附过程与脱附过程是同时同时进行进行第31页，本讲稿共37页（三）、溶解与渗透（三）、溶解与渗透1、气体在固体中的溶解、气体在固体中的溶解2、气体在固体中的扩散和渗透、气体在固体中的扩散和渗透 气体分子在固体中的气体分子在固体中的溶解溶解要经历吸附、离解、溶解和在固要经历吸附、离解、溶解和在固体内的扩散过程。体内的扩散过程。当溶解在固体中的气体存在当溶解在固体中的气体存在浓度差浓度差时，气体将在固体在中时，气体将在固体在中扩扩散散，直至达到浓度平衡。这种扩散与气体自扩散和互扩散过程，直至达到浓
16、度平衡。这种扩散与气体自扩散和互扩散过程类似，也遵守类似，也遵守菲克定理菲克定理，即扩散气体量与浓度梯度成正比。，即扩散气体量与浓度梯度成正比。第32页，本讲稿共37页六、荷能粒子与固体表面的相互作用六、荷能粒子与固体表面的相互作用 荷能粒子荷能粒子与表面相互作用所产生的与表面相互作用所产生的次级效应次级效应是各种表面分析是各种表面分析技术的基础，许多真空应用设备、电真空器件、电离型真空规、技术的基础，许多真空应用设备、电真空器件、电离型真空规、带有电离机制的真空泵都有荷能粒子。带有电离机制的真空泵都有荷能粒子。一般来说，荷能粒子是指具有一定动能的电子、光子、重一般来说，荷能粒子是指具有一定动
17、能的电子、光子、重粒子（质子、中子、离子、原子）。粒子（质子、中子、离子、原子）。（一）、荷能粒子在真空技术中的实际意义（一）、荷能粒子在真空技术中的实际意义 1、在、在可控热核反应真空空间可控热核反应真空空间中，从等离子体内所逃逸的荷能中，从等离子体内所逃逸的荷能粒子撞击器件表面，产生粒子撞击器件表面，产生气相杂质气相杂质，严重地影响等离子体的浓度，严重地影响等离子体的浓度和温度。和温度。第33页，本讲稿共37页2、高能加速器、高能加速器交叉储存环交叉储存环要求良好的超高真空环境，然尔高能要求良好的超高真空环境，然尔高能粒子轰击脱附出气，会破坏已经达到的真空度。粒子轰击脱附出气，会破坏已经达
18、到的真空度。3、重粒子对材料的溅射剥蚀重粒子对材料的溅射剥蚀是溅射离子泵、溅射镀膜、离子刻是溅射离子泵、溅射镀膜、离子刻蚀的基本工作依据。蚀的基本工作依据。4、在、在电场驱动下离子被壁面或电极俘获电场驱动下离子被壁面或电极俘获，是吸气剂，是吸气剂-离子泵、电离子泵、电清除的作用机理。清除的作用机理。5、氩氧混合气辉光放电氩氧混合气辉光放电、氩离子轰击，是获得清洁表面的有、氩离子轰击，是获得清洁表面的有效手段。效手段。6、电子轰击加热电子轰击加热、电子轰击、电子轰击分解分解，是电离规、电真空器件电极，是电离规、电真空器件电极除气的重要方法之一。除气的重要方法之一。第34页，本讲稿共37页7、在电
19、真空器件中电子、离子与电极的相互作用，是造成其中、在电真空器件中电子、离子与电极的相互作用，是造成其中“物质迁物质迁移移”的一个环节。的一个环节。8、软、软x射线光电流、电子诱导脱附，是影响电离规的测量下限射线光电流、电子诱导脱附，是影响电离规的测量下限的因素。的因素。9、场致电子发射与冷阴极型电离真空规的测量下限有关。、场致电子发射与冷阴极型电离真空规的测量下限有关。更重要的是，可以用这些粒子以及热、强电场为探针作用于固更重要的是，可以用这些粒子以及热、强电场为探针作用于固体表面，然后分析出射粒子的情况，以获得固体表面的丰富信息。体表面，然后分析出射粒子的情况，以获得固体表面的丰富信息。第3
20、5页，本讲稿共37页 *荷能粒子与固体表面会发生两种可能碰撞：荷能粒子与固体表面会发生两种可能碰撞：1、弹性碰撞弹性碰撞：入射粒子与固体靶原子有动量交换，但未发生粒子内部：入射粒子与固体靶原子有动量交换，但未发生粒子内部能态的变化。如：光致脱附、入射电子的弹性散射、电子刺激脱附等。能态的变化。如：光致脱附、入射电子的弹性散射、电子刺激脱附等。2、非弹性碰撞非弹性碰撞：入射粒子和（或）靶原子有内部能态变化。如：入射粒子和（或）靶原子有内部能态变化。如：光致分解、电子诱导（离子）脱附、光电效应、电子入射对靶原光致分解、电子诱导（离子）脱附、光电效应、电子入射对靶原子的激发、电离、电子撞出等。子的激发、电离、电子撞出等。（二）、荷能原子、离子与表面（二）、荷能原子、离子与表面（三）、电子与表面（三）、电子与表面第36页，本讲稿共37页（五）、强电场与表面（五）、强电场与表面（六）、热表面的离子发射（六）、热表面的离子发射（四）、光子与表面（四）、光子与表面第37页，本讲稿共37页