大气、真空与平均自由程

更新时间:2023-05-06 07:32:58 阅读：评论：0

一、大气、真空与平均自由程

（一）：大气

大气是一种看不见、摸不着，无色，无味的混合气体，因为地球引力所吸引，地球表面上下层大气所受到的压缩最大，因此这一层大气的密度也就最大，相反，离开地球表面越高，大气的密度也就越小。标准大气的温度、压力、密度与大气层高度的关系如下表所示：

高度（公里）	温度（℃）	压力（托）	密度（克/厘米3）
0	15	760	1.23×10-8
1	8.5	674.1	1.11×10-8
2	2.0	596.3	1.01×10-8
3	-4.5	526.0	9.09×10-4
4	-11	462.5	8.19×10-4
5	-17.5	405.4	7.36×10-4
6	-24.5	354.2	6.60×10-4
7	-30.5	308.3	5.90×10-4
8	-36.9	267.4	5.26×10-4
9	43.4	231.0	4.67×10-4
10	-49.9	198.8	4.14×10-4
15	-56.5	90.8	1.95×10-4
20	56.5	48.5	8.89×10-5
30	-46.6	8.98	1.84×10-5
40	-22.8	2.15	4.00×10-6
50	-2.5	0.589	1.03×10-6
60	-17.4	0.168	3.06×10-7
70	-53.5	4.14×10-2	3.75×10-8
80	-92.5	7.78×10-3	2.00×10-8

90	-92.5	1.23×10-3	3.17×10-9
100	-63.1	2.26×10-4	5.0×10-10
160	749	2.27×10-6	1.28×10-12
220	1021	6.4×10-7	2.0×10-13
300	1159	1.4×10-7	3.6×10-14
400	1214	3.0×10-8	6.5×10-15
500	1226	8.2×10-9	1.6×10-15
600	1233	2.6×10-9	4.6×10-16
700	1234	3.9×10-10	1.5×10-16

大气不但有一定的重量，而且它又是由各种不同气体组成的，在地面上，标准大气的成份和它的分压强如下表所示。

成份	分子量	容积百分比	重量百分比	分压强（托）
N2（氮）	28.0134	78.084	75.520	593.44
O2（氧）	30.9988	20.948	23.142	159.20
Ar（氩）	39.945	0.934	1.288	7.10
CO2（二氧化碳）	44.00995	3.14×10-2	4.8×10-2	2.4×10-1*
Ne（氖）	20.183	1.82×10-3	1.3×10-3	1.4×10-2
He（氦）	4.0026	5.24×10-4	6.9×10-3	4.0×10-3
Kr（氪）	83.80	1.14×10-4	3.3×10-4	8.7×10-4
Xe（氙）	131.30	8.7×10-6	3.9×10-3	6.6×10-5
H2（氢）	2.01594	5×10-5	3.5×10-6	4×10-4
CH4（甲烷）	16.04303	2×10-4	1×10-4	1.5×10-3
N2O（氧化二氮）	44.0123	5×10-5	8×10-4	4×10-3
O3（臭氧）	47.9982	夏：0~7×10-6 冬：0~2×10-6	0~1×10-5 0~0.3×10-5	0~5×10-5* 0~1.5×10-5*
SO2（二氧化硫）	64.0628	0~1×10-4	0~2×10-4	0~8×10-4*
NO2（二氧化氮）	46.0055	0~2×10-6	0~3×10-6	0~1.5×10-5*
NH3（氨）	17.03061	0~痕迹量	0~痕迹量	0~痕迹量
CO（一氧化碳）	28.01055	0~痕迹量	0~痕迹量	0~痕迹量
I2（碘）	253.8088	0~1×10-6	0~9×10-5	0~8×10-6*

在离地面较远的高空，稀薄的气体很容易电离。雷电自然现象的研究使人类对气体放电的认识产生一个飞跃，英国物理学家Appleton(阿普莱顿)用实验证实了太空电离层的存在。他因此而获得了诺贝尔奖金。研究表明，电离层是由电子、正负离子和中性粒子为主要成份所组成的等离子体。地球是一个大磁体，因此电离层中的等离子体的性质会受到地球磁场的巨大影响，由于地球的磁力线向两极会聚，使两极附近的带电粒子密度增加，使这里的稀薄气体发光电离。这便是产生极光的原因之一。现代科学理论认为，极光同太阳活动、地球磁场及高空空气密度有关。我们知道，太阳不断地进行核反应，有大量的带电粒子进入宇宙空间，这些粒子以数百公里／秒的速度向地球飞来。在地球磁力的作用下，这些粒子聚集在南北极附近，使稀薄的大气层电离，辐射出明亮的辉光。这就是极光。

（二）：真空的涵义

真空一词来源于古希腊文中。它的意思是“虚无”。但物质的存在、物质的运动是绝对的，而物质量的多少，运动的形式和激烈的程度则是相对的，因此，真空也必然是相对存在的。真空是相对于大气而存在的，在真空科学里，真空的定义是：真空是指在给定空间内气压低于一个标准大气压力的气体状态。在该空间内气体分子密度低于该地区大气压的气

体分子密度。分子之间或分子与其他粒子（如电子，离子）之间的碰撞就不那么频繁，分子在一定时间内碰撞于表面（比如器壁）上的次数亦相对减少。

19世纪初，真空技水取得重大进展，可以将容器内的压强抽到0.1托左右。科学家得以在实验室内进行气体放电实验。

自然界中，存在着自然真空和人造真空两种真空状态。天然真空是自然界本来就存在的一种自然现象，如人们深呼吸时可以使体内压强降到300mmHg，各种动物呼吸也是利用体内压强降低（真空）来实现的。自然真空在辽阔的宇宙空间中比比皆是。从海平面（760Torr）开始，高度每升高15公理，大气压强降低约一个数量级，直到高度为90公理处的压强为1.3× Pa，在高度为400公理处的压强为1.3× Pa，在高度为1000公理处的压强为1.3×Pa，在高度为10000公理处的压强为1.3× Pa。珠穆朗玛峰顶的压强为221mmHg，目前世界上人造地球卫星最低高度为80公理；真空度约为mmHg，最高高度（约36000公里）的同步轨道卫星所处环境的真空度约为mmHg，这种高度随压强的变化关系可用下式表示：

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