第1章 真空物理基础
为什么我们要学习有关真空的基础知识？一方面表面结构表征和薄膜沉积大部分情况需要在真空环境下进行；另一方面很多现代表面分析技术涉及光子、电子，为了减少与气体分子之间的碰撞，需要在真空环境中进行。本章主要介绍真空的基础知识、气体动力学理论，以及真空获得和测量技术等。
1.1 真空基础知识
围绕地球周围的气体层称为大气（atmosphere）。气体密度（单位体积包含的分子数）随着离开地面的距离增大而逐渐减小，大气层逐渐变得越来越稀薄。大气层的厚度在1000km以上，但没有明显的界线。如果将地球比作苹果，大气层的厚度大约比苹果皮还要薄。大气层将地球和外太空分割开来。人类生活在大气层靠近地面有限的范围内，生活、生产活动和大气的性质密切相关。干大气含有约78%（体积分数，下同）N2、21%O2和1%Ar，实际大气中还含有0%～4%水汽，少量的CO和CO2。
标准大气压（standard atmospheric pressure）定义为在标准大气条件下海平面的气压，即气体分子在单位面积上产生的总压力。它是1644年由物理学家托里拆利（Torricelli，1608—1647）提出，值为，是压强的单位，记作标准大气压（atm）。标准大气压为760mmHg（=760Torr）。一个标准大气压是这样规定的：在纬度45°的海平面上，当温度为0℃时，760mm水银柱产生的压强称为标准大气压。既然是“标准”，在根据液体压强公式计算时就要注意各物理量取值的准确性。从相关资料中查得：0℃时水银的密度为13.595×103kg/m3，纬度45°的海平面上的g值为9.80672N/kg，于是可得760mm高水银柱产生的压强为，具体计算过程如下：
式中，P为压强；F为作用力；A为面积。
真空（vacuum）是指在给定的空间内气体压强低于一个大气压的气体状态，是一种物理现象。在真空技术里，真空是针对大气而言，某一特定空间内的部分气体被排出，使得给定空间的气体密度低于地面上大气的气体密度，使其压力小于一标准大气压，则通常称此空间为真空或真空状态。气体密度越低，真空度越好。密度降低导致气体产生一些特殊的性质，在实际应用中得到了有效利用。例如，气体的化学活性大大降低，真空作为保护环境，用以储存反应性强的材料。真空环境中气体有一些特殊性质，如果气体密度足够低，样品表面可以保持干净几小时，而不形成单原子层气体吸附，因此可以研究原子级别的干净表面结构和对气体吸附层的影响。真空中可使非常小的运动粒子无障碍地穿过远的距离，这对带电粒子（如电子、离子和质子）尤为重要，在没有相互碰撞时精确的路径可以由电场和/或磁场控制。大气环境中声音和热量的传递，以及气体本身的物理性质与气体粒子相互作用密切相关，由于气体密度降低而大大改变，直到气体分子的相互作用不再是主要的传输机制。
特定空间中气体分子密度可以直接作为真空的度量。由于玻意耳（Boyle，1627—1691）的工作，人们知道气体密度与气体压强成正比，实际应用中气体压强作为真空的度量。现代真空技术获得的真空范围相比大气压可降低15个数量级。通常将真空区域划分为低真空、中真空、高真空、超高真空，相应的压强单位为帕（Pa）。
理想气体状态方程：
或
在气体压强P（Pa）、温度T（K）、体积V（m3）状态下，含有气体的量可以由理想气体状态方程确定。式中，为气体摩尔数；R为摩尔气体常量，R=8.314J/（K?mol）；N为气体分子个数；kB为玻尔兹曼常量（Boltzmann constant）。
气压常用单位：Pa作为气体压强的国际单位；其他常用单位有Torr，mmHg，bar（巴），atm（标准大气压），at（工程大气压）。真空科学与薄膜沉积技术中常用单位有Pa和Torr。
天气预报广播中经常听到的气压单位为毫巴（mbar）。长期以来世界各地的气象学者习惯使用毫巴作为测量大气压强的单位，它是用单位面积上所受大气柱压力大小来表示气压高低的单位。1mbar=1000dyn/cm2。因此，1mbar就表示在1cm2面积上受到1000dyn的力。（达因），气压为760mmHg时相当于1013.25mbar，这个气压值称为一个标准大气压。牛顿和达因的换算关系如下：
1.2 气体动力学理论
1.2.1 麦克斯韦-玻尔兹曼分布
1mol原子或分子相当于阿伏伽德罗常量（Avogadro number）NA个原子或分子：
而在标准大气压下，1mol气体分子占据的体积为22.4L。由此可见，在一定空间内含有大量的气体分子。描述气体的运动状态，不会关心单个分子的具体情况，需要用到气体动力学理论来描述气体分子的运动状态。真空容器中每一个分子的运动速度大小和方向是无规则的，但大部分的分子运动服从麦克斯韦速率分布定律。
定义速率分布函数，速度在?到范围内分子分数为（图1.1）。位于到之间的分子占据速率空间的球壳体积为，速率分布函数和玻尔兹曼因子成正比，即
（1.1）
图1.1 速率位于到之间的分子占据速率空间的球壳（半径和厚度）体积
式（1.1）中4?因子由比例号吸收。归一化处理：
（1.2）
得到
（1.3）
因此
（1.4）
这个速率分布函数称为麦克斯韦-玻尔兹曼速率分布，简称麦克斯韦速率分布（图1.2）。得到麦克斯韦速率分布后，就可以推导出一系列气体分子的性质。
图1.2 分子速率分布函数（麦克斯韦速率分布）
（1）*可几速率：表示气体分子运动中具有这种速率的分子数*多，它通过对速率分布函数求导，令，得到
（2）两个重要的平均速率：
（3）分子速率均方根：
由于，因此。
（4）气体分子平均动能：
这表明气体分子平均动能只和温度有关，这是一个重要结果。
1.2.2 气体压强
气体压强是气体*重要的变量之一。气体压强P定义为垂直方向的压力和接触面积之比。如果所有气体分子在各个方向运动概率相同，则在单元角中运动轨迹的分数为。如果选择特定方向，单元角对应于在角度和的分子（图1.3），等于球面上阴影的圆环面积为
即
因此，单位体积内分子个数为。其中，为速率分布函数，这些分子速率介于和之间，在到角度范围内运动。
图1.3 单位半径球面上阴影区域的面积为，半径为的圆周长乘以
如果选择特定方向，分子的运动方向和容器壁法线呈?角，单位时间dt内扫过的体积为。该体积乘以dt意味着在dt时间内的分子个数，即得到碰撞到容器壁面积A的分子个数：（图1.4）。这样，角度到范围内，单位时间dt碰撞到单位面积A上的分子数为。
图1.4 分子以角度?碰撞到面积A的容器壁上的概率，dt时间碰撞的分子数
为阴影区域体积（）乘以
每个分子碰撞到容器壁动量改变为，方向垂直于容器壁。如果用每个分子的动量改变乘以分子个数，对所有速率和所有角度积分，就可以得到气体压强：
（1.5）
由于，积分得到：
（1.6）
将代入式（1.6），得
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