第2章 真空技术的物理基础
2.1 气体基本性质
2.1.1 气体与蒸气
物质存在着三种基本状态：固态、液态和气态。存在的状态取决于分子间的作用力及其平均动能的大小。以固态存在的物质，其分子之间的作用力最大，液态次之，气态最小，甚至可以忽略。然而，气态物质的分子动能最大，以至可以自由地充满其所占有的空间。那么，什么是气体呢？将温度高于临界温度的气态物质叫做气体。
气体是分子的集合体，分子有一定的质量和形状，通常把气体分子近似地看做球形体。严格来说，单原子的气体分子是球形体，而双原子或多原子的气体分子就不是球形体。例如：氢分子是由双原子构成的椭球体，其短轴为2.15Å（1Å=10-10m），而长轴为3.14Å；氧分子是由两个氧原子构成，其形状也是椭球体，短轴为2.9Å，而长轴为3.9Å。许多作者由于使用不同的实验方法和测试手段，得到的分子直径各不相同。表2-1给出了一些气体分子直径的近似值。
表2-1 几种主要气体的分子质量、摩尔质量及分子直径
气体分子直径大小还受温度的影响，随着温度的升高，分子直径变小。表2-2给出了水蒸气分子和汞原子直径随温度的变化情况。
表2-2 温度对水蒸气分子和汞原子直径的影响
真空系统中除存在气体外，还有各种物质的蒸气存在。蒸气是温度低于临界温度的气态物质。为了区别气体或蒸气，表2-3给出了真空技术中几种常见物质的临界温度。我们有兴趣的是室温下（15～25℃）哪些物质属于气体或蒸气。由表中可见，氦、氖、氮、空气、氩、氧、氪等，其临界温度均低于室温，显然在室温下都属于气体。而水、汞、二氧化碳等的临界温度均高于室温。因而，在室温下的真空系统中属于蒸气。
表2-3 气体临界温度
根据理想气体涵义可见，真空状态下所有的气体和蒸气均可以看做理想气体。并且真空度越高越接近理想气体。真空度高，意味着分子密度低，这样使分子间的距离远大于分子本身的大小，分子就可以视为几何点了。既然分子间的距离很大，那么它们之间的作用力是极其微弱的，且可以视为零。这样，就可以用理想气体定律描述真空状态下的气体了。但蒸气饱和之后就不是理想气体了，因而，也就不能用理想气体定律来描述了。
2.1.2 玻义耳-马略特定律
一定质量的气体，在一定的温度下，不断改变其压力，同时测量其相应的体积。结果表明：在这样的条件下，体积与压力之间存在着一个简单关系，就是：当气体温度不变时，体积与压力之积保持一定，这个原理是由玻义耳（1662年）和马略特（1679年）用实验来证实的，因而，称为玻义耳-马略特定律。可述之如下：
一定质量的气体，在一定温度下，体积和压力的乘积为一常数。即
（2-1a）
若气体的最初体积为V1，压力为p1。经等温压缩后，体积为V2，压力为p2，那么由式（2-1a）应有：
（2-1b）
式（2-1b）在真空技术中有重要的应用，麦克劳真空计和膨胀式真空校准系统均是利用这一原理制成的。若已知式（2-1b）中三个参数，那么另一参数便可以求得。
2.1.3 查理定律
1802年查理和卢赛斯用实验方法得到了这个定律。查理定律表明：一定质量的气体，如果保持体积不变，其压力与温度成正比。即
（2-2）
2.1.4 盖吕萨克定律
一定质量的气体，当压力保持不变时，其体积与温度成正比，这就是盖吕萨克定律，其数学表达式为
（2-3）
2.1.5 道尔顿分压力定律
道尔顿定律指出：相互之间没有化学作用的混合气体的总压力p等于各气体分压力pi之和。其数学表达式为
（2-4）
这个定律，在进行真空测量时经常遇到。如果测量某一真空容器中的压力，若用真空计测量，得到的是总压力。若用质谱计来测量，得到的是气体各种组分的分压力，各分压力之和应等于总压力。表2-4给出了各种超高真空系统的分压力和总压力的实测值。从表中可以看出，除了个别因为试验中的误差外，一般都大体符合分压力定律。
表2-4 超高真空系统的分压力和总压力
注：※：CO+N2；△：因釆用氩溅射装置，故氩峰高。
2.1.6 阿伏伽德罗定律
体积相同的任何气体，只需温度和压力相同，则所包含的分子数就相等。
把1摩尔（mol）质量的气体中包含的分子数称为阿伏伽德罗常数。这个常数对于任何气体来讲都是相同的，即
式中，M为1mol的气体质量；m0为一个气体分子的质量。
大家知道，在标准状态下（压力为1atm，温度为0℃），1mol的任何气体，均具有相等的体积，称为摩尔体积。1mol气体的体积为
将阿伏伽德罗常数N0除以摩尔体积V0，就得到了标准状态下单位体积中的分子数。也叫做劳什密特数，以n0表示
2.1.7 理想气体的状态方程
描述气体状态需要四个参量，即气体的质量、压力、体积和温度。由实验总结出来的理想气体状态方程，给出了这四个参量之间的关系。其数学表达式如下：
（2-5）
式中 p——气体压力，Pa；
V——气体体积，m3；
m——气体质量，kg；
M——气体的摩尔质量，kg/mol；
T——气体的热力学温度，K；
R——通用气体常数，8.314J/（mol·K），如果p、V、T釆用不同的单位，R亦有不同的单位和值，见表2-5。
表2-5 不同单位的R值
方程（2-5）也称克拉佩龙综合方程。由此方程可以导出压力的常用表达式。
若一个气体分子的质量为m0，1mol的气体中有N0（阿伏伽德罗常数）个分子，体积为V的气体中有N个分子，这样，式（2-5）中的m=Nm0，M=N0m0，那么，式（2-5）可以写为
（2-5a）
令
则式（2-5a）为
（2-5b）
式中 p——气体压力，Pa；
n——单位体积中的气体分子数，也称气体分子密度，m-3；
k——玻尔兹曼常数，k=1.381×10-23J/K；
T——气体的热力学温度，K。