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真空度和平均自由程关系

已有 1027 次阅读 2023-10-6 14:13 |系统分类:科研笔记

真空度和平均自由程是两个与气体性质和行为相关的概念,它们之间存在一定的关系。

  1. 真空度(Vacuum Level):

    • 真空度是描述在一个封闭系统或容器中的气体或气体混合物的稀薄程度的概念。

    • 真空度通常以压力单位来表示,例如帕斯卡(Pa)或毫巴(mbar)。更高的真空度表示气体的压力更低,其中分子或粒子的数量更少。

    • 在实际应用中,真空度可以通过测量系统内气体的压力来确定,通常通过真空计或压力计进行测量。

    • 高真空度通常用于各种科学、工业和技术应用,如半导体制造、光学薄膜沉积、质谱仪器、核物理实验等。

      image.png

  2. 平均自由程(Mean Free Path):

    • 平均自由程是描述气体分子或粒子在气体或液体中运动时,平均能够在没有碰撞的情况下移动的距离。

    • 平均自由程通常以长度单位(如米)来表示。

    • 它与气体的密度和温度以及分子或粒子的大小有关。通常,较高温度和较低密度的气体,以及较小的分子或粒子,具有较长的平均自由程。

    • 平均自由程与气体的压力和真空度之间存在关系,可以使用以下公式来表示: λ = k / (p * d2) 其中 λ 是平均自由程,k 是玻尔兹曼常数,p 是气体的压力,d 是气体分子的直径。

    • 在标准大气压下,氮气分子的平均自由程约为 60 纳米。在真空中,气体分子数密度很小,因此平均自由程可以达到几米到几千米。例如,在显像管中,真空度达 10⁻⁶ 托,此时分子平均自由程为 77 米,所以阴极发射的电子可以毫无碰撞地到达屏幕。

    • 平均自由程是一个重要的物理量,在气体传输、气体动力学等领域都有广泛应用。在真空技术中,平均自由程是衡量真空度的重要参数。

       因此,真空度和平均自由程之间的关系在于,当真空度增加,气体中的分子或粒子数量减少,从而平均自由程增加。在高真空条件下,分子之间的碰撞变得非常罕见,因此平均自由程可能会变得非常大。这是为什么高真空系统中的分子束可以在较长距离内自由传播的原因之一。

    • image.png

      表1-真空增加了气体分子的平均自由程(数据引自:https://slideplayer.com/slide/4560652/)






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