真空

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外太空堪稱最接近真空的空間
外太空並非完全真空的空間

真空是一種不存在任何物質的空間狀態,是一種物理現象。在“真空”中,聲音因為沒有介質而無法傳遞,但電磁波的傳遞卻不受真空的影響。粗略地說,真空係指在一區域之內的氣體壓力遠遠小於大氣壓力[1]真空常用帕斯卡(Pascal)或托爾(Torr)做為壓力的單位。目前在自然環境裡,只有外太空堪稱最接近真空的空間。

西漢劉安在《淮南萬畢術》中提到:“銅甕雷鳴。”其註曰:“取沸湯置甕中,堅塞之,內於井中,則作雷鳴,聞數十里。”銅甕雷鳴是由於盛沸水的銅甕驟然遇冷造成局部真空。這時外部大氣壓力加上井水壓力会將銅甕壓破,爆炸出雷鳴的聲響。

1641年義大利數學家托里拆利在一根長管子內加滿水銀,然後很迅速的將管口倒轉在一個盛滿水銀的盆內,管子內水銀柱的末端是76公分高。這時玻璃管最上方無水銀地帶是真空狀態。這一實驗為“托里拆利實驗”,完成實驗的玻璃管為“托里拆利管”。

1654年馬德堡市长奥托·冯·格里克雷根斯堡向皇帝展示了他所設計的半球實驗。他製造了兩個直徑36公分的紅色銅製半球,半球中間有一層浸滿了油的皮革,用以讓兩個半球能完全密合。接著他用他自製的真空泵將球內的空氣抽掉,此時兩個沉重的銅製半球在沒有任何接著劑的輔助下緊密地合而為一,讓人十分驚訝。但格里克實驗的高潮才正要開始,他為了證明兩半球的結合是多麼緊密、紮實,安排了兩隊各15匹馬,以相反的方向試圖將該球體拉開,結果居然拉不開,此實驗被稱為「馬德堡半球实验」。

現代許多高精密度的產品在製造過程中的某些階段必需使用程度不一的真空才能製造,如半導體硬碟機鏡片。在實驗室和工廠中製造真空的方法是利用在密閉的空間中抽出空氣以達到某種程度的真空。在真空技術中按照壓力的高低我們可以區分為:

  1. 粗略真空Rough Vacuum) 760 ~ 1 Torr
  2. 中度真空Medium Vacuum) 1 ~ 10-3 Torr
  3. 高真空High Vacuum) 10-3 ~ 10-7 Torr
  4. 超高真空Ultra-High Vacuum) 10-7 Torr以下
  5. 絕對真空Absolute Vacuum) 0 Torr

馬德堡半球[编辑]

馬德堡半球是一对铜质空心半球,被用于1654年由德国物理学家、时任馬德堡市長奥托·冯·居里克神聖羅馬帝國雷根斯堡(今德國雷根斯堡)進行的一項物理学实验[2]。在这项实验中,实验者先将两个完全密合的半球中的空气抽掉,然后驱马从两侧向外拉,以展示大气压力的作用。马德堡半球实验作为物理学中的经典实验,今日仍被广泛用于课堂教学。最初用于实验的两个半球保存于位于慕尼黑德意志博物馆[3]

1654年5月8日,格里克在雷根斯堡向當時的神圣罗马皇帝斐迪南三世展示了他所設計的半球實驗。他用自制的真空泵將球內的空氣抽掉,此時兩個沉重的銅製半球在沒有任何接著劑的輔助下緊密地合而為一。随后,他為了證明兩半球的結合是多麼緊密、紮實,安排了兩隊各15匹,以相反的方向試圖將該球體拉開,结果未能将其拉开,兩半球最後還是藉由解除真空狀態才得以分離[2]

之後格里克多次在各地重現此實驗以饗廣大好奇的觀眾。1656年,他在他任职市长的马德堡用两队各8匹马重复了这一实验,得到了相同的结果。他还尝试将两个半球组成的球体抽出空气后悬挂重物,两个半球也没有分离。[2]1663年,他在柏林用两队各12匹马为勃兰登堡选帝侯腓特烈·威廉重复了这一实验[4]

在此以后,马德堡半球实验逐渐成为广为人知的示范大气压力原理的实验方法。波士顿等多地曾独立重复过马德堡半球实验[5]。也有供教學用途的马德堡半球的仿製品,它們的體積也比當年的半球小得多,把半球的空間抽真空后,不再需要用马力便可拉開。[3]德国邮政发行过纪念这一实验的邮票。

參見[编辑]

  1. ^ Chambers, Austin. Modern Vacuum Physics现代真空物理. Boca Raton: CRC Press. 2004. ISBN 0-8493-2438-6. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Guericke, Otto von. Encyclopædia Britannica, 11th Ed. 12. Cambridge Univ. Press. 670. 1910 (英文). 
  3. ^ 3.0 3.1 Thomas B. Greenslade, Jr. Magdeburg Hemispheres. [2012-07-05] (英文). 
  4. ^ Schneider, Ditmar. Ein Leben für die Alte Stadt Magdeburg. 2004. ISBN 3-519-25153-1 (英文). 
  5. ^ Hablanian, M. H.; Hemeon, C. H. Comments about Magdeburg hemispheres reenactment. 50 years of the AVS. American Vacuum Society. 2003 [2012-07-04] (英文).