真空歷史介紹
真空歷史介紹
早期的真空發(fā)展與應(yīng)用—從亞里斯多德到藍(lán)米爾— 熊 高 鈺（本文作者現(xiàn)為同步輻射研究中心副研究員兼真空組小組長(zhǎng)） 譯述自美國(guó)真空學(xué)會(huì)創(chuàng)立三十周年紀(jì)念論文Theodore E. Madey,J. Vac. Sci. Technol. A2(2), 110(1984)
一、前言 古云："自然憎惡真空(nature abhors a vacuum)"。任何一位研究真空的科學(xué)家聽了這句話一定覺得好笑，然而它卻說明了古代人對(duì)於"真空"的概念是起源於亞里斯多德(Aristote)以及他的隨從們皆認(rèn)為"真空"在邏輯上是不可能有的。亞里斯多德從〝物體所占據(jù)的范圍"來定義"空間(ace)"，而"真空(vacuum)"意謂著"不含任何物體的空間"，因此從邏輯的觀點(diǎn)，既然"空間"必含有物，所以無所謂的"真空"。這個(gè)觀念持續(xù)了將近1800年之久，直到16世紀(jì)末才略有改觀。即使在17世紀(jì)，著名的法國(guó)哲學(xué)家笛卡爾(Descartes)仍強(qiáng)烈地否認(rèn) "真空"存在的可能性。對(duì)於以幫浦抽水只能達(dá)到某一高度極限以及越過某一高度以上的虹吸管即不發(fā)生作用等現(xiàn)象當(dāng)時(shí)的解釋為由於幫浦作用不完全或者在虹吸管中有一股神秘未知的力所致；而空氣具有重量以及承受壓力的觀念也是後來逐漸地為人所理解與接受。自古以來，科學(xué)的觀念大多基於哲學(xué)家的沈思而很少是根據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)的解釋，這種觀念歷經(jīng)了多個(gè)世紀(jì)人們?cè)缫蚜?xí)以為常。但從第十七世紀(jì)開始，由於一些偉大科學(xué)實(shí)驗(yàn)家的努力，才使得真空科學(xué)打破傳統(tǒng)邁出革命性的一大步。本文將簡(jiǎn)述自早期到二十世紀(jì)初之間有關(guān)真空科學(xué)與技術(shù)的歷史淵源，包括真空的形成及其在科學(xué)與工程上的應(yīng)用等相關(guān)觀念之發(fā)展、幫浦與真空計(jì)的歷史以及歷代以來對(duì)於真空度的需求、產(chǎn)生與特性之演變等內(nèi)容。
二、第一個(gè)真空實(shí)驗(yàn)— —十七世紀(jì) 一般人都認(rèn)為托里切利(Torricelli)s*先發(fā)明氣壓計(jì)(barometer)，然而經(jīng)過密得頓(Middleton)審慎地考察發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生真空的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)是在1640年由一位名叫伯提(Gaaro Berti)的年輕義大利人所做的。(1)當(dāng)時(shí)他基於虹吸管問題的動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)生真空的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本上是一個(gè)"水壓力計(jì)(Water barometer)”，如圖一所示，將一支長(zhǎng)鉛管(AB)插人水中，并將下端浸在水中之活栓(R)關(guān)緊，然後經(jīng)由鉛管上端之活栓(G)把水注滿整個(gè)鉛管系統(tǒng)內(nèi)部，再關(guān)緊上方G處與D處之活栓。此時(shí)，將活栓R打開，系統(tǒng)內(nèi)部的水位再降低至L處，則在水面上方的空間即為真空狀態(tài)。很不幸!在上端球形容器中M處掛著一只小鈴當(dāng)?shù)穆曇魠s仍讓四周半信半疑的人們清楚地聽見(基本上，假設(shè)聲音是要靠介質(zhì)傳遞的。），以致舉世s*削的這個(gè)真空實(shí)驗(yàn)未被采信。托里切利由於伯提實(shí)驗(yàn)的影響，使他對(duì)空氣壓力的觀念更明朗，因而在1644年設(shè)計(jì)了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)不但能產(chǎn)生真空，并且研制了一套可以顯示氣壓變化的儀器(實(shí)際的實(shí)驗(yàn)可能由托里切利描述其構(gòu)想，而由另一位維偉安尼(Vivian)來進(jìn)行)。托里切利使用充滿汞的玻璃管即第一個(gè)汞壓力計(jì)，如圖二所示，此實(shí)驗(yàn)提出頗令人信服的論證，即將裝滿汞的玻璃管倒插入充滿汞的容器中，此時(shí)管內(nèi)汞上方所留下的空間使為〝真空〞；同時(shí)，汞的高度與容器的體積大小無關(guān)，若以水由下方灌入，便會(huì)充滿整個(gè)管子。這便是你我都熟知的托里切利實(shí)驗(yàn)。盡管如此，當(dāng)時(shí)亞里斯多德仍不認(rèn)為所產(chǎn)生的是"真空"，而以為管上方的空間中充滿著一種稀薄物質(zhì)，或可說是由汞所釋出(breathed out)的靈氣(irit)，并藉著這種物質(zhì)與汞之間的吸引力來支持管中汞液維持一定的高度。在1648年的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)由帕斯卡(Pascal)的堂兄弟斐瑞爾(Perier）所做的，後來密得頓稱當(dāng)時(shí)是理念史上偉大的一刻。斐瑞爾帶著一個(gè)前述之壓力計(jì)及約四公斤重的汞登上一座高約l000米的高山(稱作Puy de Dome)，并雇了一位僧侶在登山的途中一路上盯著汞壓力計(jì)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在山頂上所量得汞柱的高度比在山腳下低了7.5公分。這個(gè)實(shí)驗(yàn)與一連串〝真空中的真空〞實(shí)驗(yàn)(即在一個(gè)真空系統(tǒng)中裝一個(gè)壓力計(jì))已改變了以往的舊觀念，也就是"真空可以被產(chǎn)生"與"空氣壓力是實(shí)在的"。到了十七世紀(jì)的中葉，已有許多關(guān)於真空性質(zhì)的論述，如充了氣的氣囊在真空中會(huì)膨脹、在真空中不能助燃與生存以及聲音不能在真空中傳遞等。然而對(duì)於光何以能在真空中行進(jìn)的疑惑，直到十九世紀(jì)時(shí)由馬克斯威爾(Maxwell)解釋才得以澄清。
三、抽氣幫浦的發(fā)明—葛里克(OTTO VON GUERICKE) 在十七世紀(jì)的科學(xué)發(fā)展中，葛里克發(fā)明了抽氣的幫浦(真空幫浦)具有相當(dāng)大的實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)，與當(dāng)時(shí)其他發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡及擺鐘等并稱為該世紀(jì)四件z*偉大的技術(shù)發(fā)明。(2)早在1640年左右，葛里克曾做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，想將一個(gè)裝滿水的木桶(抽水幫浦)把水抽掉，看是否能在桶中產(chǎn)生真空。(3)如圖三所示，由幾位壯漢合力抽水 時(shí)，可聽見空氣由木桶孔隙沖進(jìn)的聲音，實(shí)驗(yàn)結(jié)果甭說， 也失敗了。在稍晚的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他制造了一個(gè)大銅球，并裝上幫浦，這回不抽水而直接抽氣，當(dāng)球內(nèi)的空氣快被抽掉時(shí)，球突然爆破掉而且聲音震耳欲聾，葛里克認(rèn)定大氣壓力是使球體碎裂的主因，後來這個(gè)問題在建立一個(gè)比一個(gè)堅(jiān)固完美的球體後終於解決了。之後，葛里克更進(jìn)一步設(shè)計(jì)制造了一個(gè)產(chǎn)生真空的特制活塞式抽氣幫浦，也是第一個(gè)空氣幫浦。而且經(jīng)歷了一連串的變革，後來的幫浦已改進(jìn)了系統(tǒng)密封方式與閥門，使此種活塞式幫浦中的死角減到z*小。然後他進(jìn)行了一段長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究許多真空的性質(zhì)；此外，他觀察到能量對(duì)應(yīng)於氣壓的關(guān)系且造成〝飛沙走石〞的現(xiàn)象，推論風(fēng)暴是起源於大氣的壓力差異所致。(4) 葛里克z*有名的實(shí)驗(yàn)，也就是膾炙人口的"馬德堡半球(Magdeburg emiheres)"實(shí)驗(yàn)。如圖四所示，將一對(duì)直徑約33.6cm的厚銅制中空半球密合後抽真空，然後在二邊各以八匹馬同時(shí)向二方拉，結(jié)果無法拉開，z*後費(fèi)了九牛二虎之力才將這二個(gè)半球分離，而且發(fā)生如炮轟聲般的巨響，估計(jì)馬匹所施的力共約887公斤；當(dāng)時(shí)震驚了現(xiàn)場(chǎng)參觀包括國(guó)王、諸侯、眾臣民，而且在座人員皆贊嘆不已。此後，他又做了一個(gè)較大的銅球，直徑約49cm，這次使用了共24匹馬來拉，始終都拉不開，當(dāng)然只要把活栓打開充入空氣後，這二個(gè)半球便自己分開了。據(jù)葛里克之計(jì)算，要將這二個(gè)大半球分開，需要36匹馬的力量才能達(dá)成。起初葛里克的實(shí)驗(yàn)於1654年時(shí)在德國(guó)之雷根斯堡(Regehurg)進(jìn)行，後來應(yīng)皇室之邀請(qǐng)表演。由於葛里克的實(shí)驗(yàn)很快地傳遍了整個(gè)歐洲，許多人也陸續(xù)跟進(jìn)在各地重做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。一位熱衷的實(shí)驗(yàn)家也是英國(guó)皇家科學(xué)院創(chuàng)立人之一的波義耳(Robert Boyle)將葛里克所使用的抽氣幫浦加以改進(jìn)，并發(fā)展出一套在定溫下氣體壓力與體積之間關(guān)系的定律——即"波義耳定律(Boyle's Law)"。密得頓將第一次使用"barometer"(壓力計(jì))字的人歸於波義耳。
四、十八世紀(jì)到十九世紀(jì)初期之間的發(fā)展 有關(guān)氣體放電與真空科學(xué)相連結(jié)之研究發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)世紀(jì)，其起源於1676年初，一位法國(guó)大文學(xué)家皮卡得(Jean Picard)將汞壓力計(jì)帶進(jìn)一間暗室里，并將其上下?lián)u動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其發(fā)光。另有一位學(xué)者在1705年到1711年期間也做了一些z*早的分類實(shí)驗(yàn)，就是今天我們所稱的放電發(fā)光(electroluminescence)及增擦發(fā)光(tribolumineccence)等實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)為發(fā)光的效應(yīng)是由於磨擦產(chǎn)生的，并且與帶電作用相連結(jié)。(5)至於磨擦發(fā)光之解釋直到本世紀(jì)才較為明了，然而較為深入的研究結(jié)果仍不完整。(6)1740年時(shí)，在巴黎一位學(xué)者諾雷(Nollet)在一個(gè)蛋形的真空容器中產(chǎn)生了輝光放電的現(xiàn)象，該真空容器因而被稱為"電蛋(electric egg)"。後來在英國(guó)，戴維(Davy)與稍晚的法拉第(Faraday～1838年)也做了不少放電管的研究，後來放電實(shí)驗(yàn)中靠近陰極有一個(gè)"暗區(qū)(dark ace)"便是以"電學(xué)之父"——法拉第來命名。而有關(guān)放電的現(xiàn)象直到十九世紀(jì)末時(shí)克魯克斯(Crookes)、湯姆生(Thomson)與其他學(xué)者接續(xù)的實(shí)驗(yàn)才逐漸了解。自托里切利以後的幾個(gè)世紀(jì)中，都是以壓力計(jì)(barometer)來量測(cè)氣壓，為了提高z*測(cè)的靈敏度，上述的壓力計(jì)也經(jīng)過多次的修正與改進(jìn)基本設(shè)計(jì)，此外也致力於多液體壓力計(jì)(multiple liquid barometers)的研究。在十七世紀(jì)時(shí)，即有不少研究者發(fā)表有關(guān)壓力計(jì)中真空的改進(jìn)與維護(hù)之演說，到了1740年左右，使用這種壓力計(jì)通常要將管中的汞煮沸；在1772年，狄盧克(de Luc)發(fā)表說明其原因主要是要將管中汞本身內(nèi)含的空氣除去，這似乎是"真空烘烤(vacuum bakeout)"的第一個(gè)例子。抽氣幫浦的改進(jìn)起源於十八世紀(jì)時(shí)的豪克斯比(Haukee)與諾雷，但基本的設(shè)計(jì)仍是葛里克型式。當(dāng)時(shí)這種機(jī)械幫浦z*好的要算英國(guó)的紐曼(Newman)所建造，而於1851年倫敦大展示會(huì)中推出，勝過來自法國(guó)、丹麥等國(guó)家的其他幫浦。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，當(dāng)壓力計(jì)的讀數(shù)為30.08英寸汞柱高時(shí)，這種抽氣幫浦的壓力計(jì)可達(dá)30.06英寸汞柱高。居於十九世紀(jì)中葉所發(fā)展蓋斯勒(Geiler)、特普勒(Tople)與史普仁格(rengle)等汞幫浦之先。當(dāng)時(shí)產(chǎn)生高真空的方法皆采用托里切利法，而實(shí)驗(yàn)的"真空容器"就是汞壓力計(jì)頂端的那一部份空間。當(dāng)然，早期的學(xué)者并不了解"汞蒸氣"的存在，而始終認(rèn)為這種真空就是"完美"的真空。
五、十八、十九世紀(jì)期間的大型真空技術(shù) 正當(dāng)科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)真空科學(xué)的基本原理及哲學(xué)家們?yōu)檎婵盏拇嬖谛远鵂?zhēng)論不休之時(shí)，精明的工程師——實(shí)踐者已著手推廣應(yīng)用新發(fā)現(xiàn)的原理。若要說工業(yè)革命是起於一位天才——紐康門(Thomas Newcomen)設(shè)計(jì)了第一個(gè)實(shí)用的"大氣抽氣引擎(atmoheric pumping engines)"，一點(diǎn)也不夸張，他的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)在1712年s*次被應(yīng)用。(7)在一個(gè)有滑動(dòng)活塞之圓柱管中充滿了蒸氣，當(dāng)其凝結(jié)後便形成了真空，而在活塞另一邊的大氣則以相當(dāng)大的壓力將活塞推至底部。就是利用這種原理，紐康門將活塞連接大的梁桿，使設(shè)計(jì)出一連串的橫梁推動(dòng)引擎(beam engines)，在英國(guó)被廣泛地用於深井抽水，家庭供水與乾旱時(shí)工業(yè)水車之供水等。這些引擎比旋轉(zhuǎn)蒸氣引擎(rotary steam engines)早了七十年，而引進(jìn)了工業(yè)革命。在真空技術(shù)史上有一則有趣且鮮為人知的插曲，就是在十九世紀(jì)中葉時(shí)於愛爾爾、英國(guó)及歐洲大陸等地所建造的〝大氣軌(atmoheric railway)〞。(8)在1830年代，正當(dāng)蒸氣機(jī)車被認(rèn)為相當(dāng)不可靠、骯臟、嘈雜、笨重且功率負(fù)荷大與不能爬陡坡時(shí)，一些充滿幻想力的工程師便構(gòu)思一個(gè)建造乾凈、安寧、輕而且便宜低功率列車的計(jì)畫，藉著大氣壓力的力量推動(dòng)置於鐵軌兩軌中央的列車傳動(dòng)活塞。 1846年在英國(guó)的南帝汶(South Devon)海岸，由布魯涅耳(Brunel)建了如上述之系統(tǒng)(9)，其原理可由圖五中了解。沿著二鐵軌中間固定一長(zhǎng)而堅(jiān)固的鑄鐵管，其管徑由平地之15英寸可變化至陡坡地區(qū)之22英寸(因?yàn)榱熊囋诙钙聟^(qū)行駛時(shí)需要較大的推力，而22英寸管徑的表面積可使活塞由大氣壓力獲得較平地區(qū)更大的推力)。沿著這長(zhǎng)鑄鐵管的上方是一條寬約數(shù)英寸的長(zhǎng)狹縫，并以一長(zhǎng)條所謂的"縱向閥門(longitudinal valve)"封住，這種閥門的結(jié)構(gòu)示意圖如圖六所示。主要是一長(zhǎng)條皮帶，其一方邊緣封閉固定在長(zhǎng)狹縫邊緣，而另一方邊緣則由一鐵架撐緊并眾一種合成物質(zhì)(soap + cod oil)蟄於皮帶與狹縫緣之間而密封住。圖五中，在長(zhǎng)鑄鐵管中為一活塞(a)，列車之前輪軸藉著特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)(b)使固定在活塞(a)上。當(dāng)列車準(zhǔn)備啟動(dòng)時(shí)，在活塞"前方"約三英哩遠(yuǎn)處以一大型的抽氣幫浦(以約80馬力的蒸氣引擎推動(dòng)其作用)將活塞前三英哩之管內(nèi)空氣抽除，此時(shí)在活塞後面一專用於開啟"縱向閥門"(d)的滑輪(c)設(shè)計(jì)由皮帶(d)下方將皮帶頂起，使空氣進(jìn)入管內(nèi)活塞的〝後方〞，就靠此大氣壓力將活塞帶列車一路推進(jìn)到三英哩遠(yuǎn)的下一站；當(dāng)然沿途在滑輪(c)之後方有另一個(gè)滑輪(e)由皮帶上方將皮帶壓回原密封之位置，以便於下次系統(tǒng)抽氣。根據(jù)記載(8)在活寒前方的真空度約為16英寸汞柱，且其z*高速率可以平均時(shí)速64英哩行進(jìn)4英哩遠(yuǎn)(極速可達(dá)68mph)。這種大氣軌的設(shè)計(jì)的確相當(dāng)迷人，可惜它的生命正如曇花一現(xiàn)般地絢爛而短暫。種種不利的因素，例如列車啟動(dòng)時(shí)的意外、活塞損壞以及抽氣站故障等使其提前結(jié)束。其實(shí)z*重要的缺點(diǎn)在於上述縱向閥門的長(zhǎng)皮帶經(jīng)不起戎氣候變化及化學(xué)反應(yīng)的腐蝕作用而減低了其使用效率，加上用於密封用的合成物質(zhì)常讓好奇的老鼠啃得殘缺不全，使密封的功能大不如前。早在1844年史蒂芬生(Stepheon)便曾說過："以如此利用大氣的系統(tǒng)，必須靠整個(gè)機(jī)關(guān)每一個(gè)細(xì)節(jié)部份完全正常運(yùn)作始能整體有效地操作來講，要滿足大型交通運(yùn)輸?shù)男枨髮?shí)在是一項(xiàng)艱鉅而不易達(dá)成的任務(wù)"。z*後一個(gè)大氣軌系統(tǒng)位於巴黎附近的一條長(zhǎng)約5.5英哩列車線終於在1860年停駛了。至今尚有一件將真空技術(shù)應(yīng)用於生活中的例子是藉充氣管傳送郵件、音信。1886年英國(guó)不列顛郵局便在倫敦設(shè)置一長(zhǎng)34 1/2英哩之管，并充以12i的壓縮空氣或 6 1/2 i之大氣來推進(jìn)傳送裝置。1897年在美國(guó)紐約、波士頓與費(fèi)城等地亦有類似的系統(tǒng)，十年前在美國(guó)許多百貨公司還利用這種充氣管來控制鈔票兌現(xiàn)傳送呢！
六、真空科學(xué)與近代物理、化學(xué)的誕生——十九世紀(jì)末期 真空科學(xué)與技術(shù)在近代物理及化學(xué)許多實(shí)驗(yàn)之基礎(chǔ)準(zhǔn)備上扮演著關(guān)鍵的角色。各種難解的問題諸如電子與X-射線的發(fā)現(xiàn)、稀有氣體的分離與確認(rèn)、氣體放電的闡釋及冷凍的改進(jìn)等皆由於真空方法的運(yùn)用而得以迎刃而解。真空技術(shù)對(duì)於近代科學(xué)誕生的沖擊可由下列的例子得到顯著的答案。自1901年至1906年間24位物理與化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)得主中便有五位是基於1800年代期的真空量測(cè)。包括侖琴「Rontgen)發(fā)現(xiàn) X-射線、瑞里(Rayleigh)發(fā)現(xiàn)氬氣、蘭姆塞(Ramsay)發(fā)現(xiàn)稀有氣體、雷納德(Lenard)研究陰極射線以及湯姆生(Thomson)研究氣體的電導(dǎo)性等。在十九世紀(jì)稍晚時(shí)期，新發(fā)明的特普勒幫浦(1862)、史普仁格幫浦(1865)與麥可雷歐得真空計(jì)(McLeod gauge, 1874)等使一般真空系統(tǒng)的真空度提高達(dá)10-3～10-4 Torr(約10-1～10-2 Pa)的層次。當(dāng)時(shí)大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)皆采用玻璃容器，而電導(dǎo)引(electricalfeedthrough)的安裝則使用白金(Pt)密封。
對(duì)於十九世紀(jì)末期有關(guān)真空科學(xué)與技術(shù)之進(jìn)展，分別簡(jiǎn)述於后：
A﹒氣體放電(Gaseous discharge)的改進(jìn) 當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家相當(dāng)熱衷於氣體放電的研究，并且希望得到漂亮的結(jié)果，因此促使他們對(duì)實(shí)驗(yàn)所需之真空系統(tǒng)不斷地改良。在1879年左右克魯克開始進(jìn)行一連串的放電實(shí)驗(yàn)，他主要觀察陰極附近的暗區(qū)(該暗區(qū)後來以他來命名)，并且指出一種"陰極射線(cathode rays)"的束流帶有足以引起加熱弘效應(yīng)的能量。當(dāng)他移動(dòng)輻射計(jì)時(shí)，便發(fā)現(xiàn)陰極射線照射玻璃所產(chǎn)生的螢光，此外由陰極射線在磁場(chǎng)中運(yùn)行的軌跡被偏轉(zhuǎn)而證明這種束流是一群帶負(fù)電荷的粒子。(10)艾額斯特(Elster)與蓋特(Geitel)在l880年所做的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真空中或氣體中的熱燈絲會(huì)放叫出負(fù)電荷之粒子，且其放射率隨著燈絲溫度的上升而迅速增加。(10,11)不久之後維尼爾特(Wehnelt)也發(fā)現(xiàn)一些金屬氧化物如鈣與鋇等比一般金屬更容易放射出大量的負(fù)電粒子，這也是第一個(gè)氧化的陰極。此後，采用此種維尼爾特陰極與蓄電池可增加氣體放電的穩(wěn)定性有助於對(duì)各種暗區(qū)以及條紋放電之研究。
B.光電效應(yīng)(Photoelectric effect)的研究 l887年赫茲(Hertz)發(fā)現(xiàn)將紫外光照射在一種充了電的火花放電狹縫(ark gap)材料上能夠促使此裝置 產(chǎn)生火花放電的效應(yīng)，導(dǎo)致一系列用紫外光及其他光源照射在充了電的物體上使產(chǎn)生放電效應(yīng)之研究。艾額斯特與蓋特曾將各種金屬材料依〝充負(fù)電而藉光以觸發(fā)放電〞之難易度來排列，發(fā)現(xiàn)以銣(Rb)與鉀(K)之效果z*好，以碳(C)及汞(Hg)之效果z*差。雷納德發(fā)現(xiàn)盡管電荷放射率隨光強(qiáng)度增加，然而所放射出的負(fù)電荷粒子之能量與入射光之強(qiáng)度大小無關(guān)。但對(duì)於這些現(xiàn)象仍存在不少疑點(diǎn)，直到1905年愛因斯坦(Eitein)提出了光電效應(yīng)理論時(shí)才得到較合理的解釋，說明了光子能量與村料表面功函數(shù)(Work function)及所放出之電子能量間的關(guān)系。
C.電子的發(fā)現(xiàn) 在1898年，H姆生iJ.J.Thomson)綜合紛了各種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并說明無論在任何的放電來源，包括藉感應(yīng)線圈放電而由材料表面放射出負(fù)粒子及利用熱燈絲放射出之熱負(fù)粒子，其荷質(zhì)比(e/m)值皆相同，證明這些負(fù)粒子是同一種粒子，就是"電子(electron)"，而且他更進(jìn)一步認(rèn)定電子的質(zhì)量要比氫原子小約1000倍。由於他的發(fā)現(xiàn)與結(jié)論平息了風(fēng)行數(shù)年期間對(duì)陰極射線本質(zhì)的激烈爭(zhēng)論。
D.X-射線的發(fā)現(xiàn) 侖琴(W.K. Rontgen)在1895年發(fā)現(xiàn)當(dāng)放電真空管內(nèi)真空度較高時(shí)(≦10-2 Torr)，在玻璃管壁上可看到螢光，這種輻射光具有高穿透性，除了能穿過空氣、肉體之外，也可以透過薄金屬片。有關(guān)這種〝X-射線〞(當(dāng)時(shí)實(shí)在不明了這是何種射線，只好暫名為X-ray)的特性，侖琴也做了相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)。
E.濺射(uttering)現(xiàn)象的研究 1852年時(shí)，葛洛夫(W.R.Grove)s*次發(fā)現(xiàn)在氣體放電時(shí)陰極附近產(chǎn)生濺射的作用，把陰極材料表面變成光滑的平面，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖七所示。直到50年之後才了解這種濺射現(xiàn)象的原因是由於"正輻射線—離子"撞擊陰極表面而造成。(5)第一個(gè)證明這種正離子撞擊陰極同時(shí)也產(chǎn)生二次電子的是湯姆生(J.J. Thomson)。
F.化學(xué)(Chemistry)領(lǐng)域的拓展 在1890年代期間，蘭姆塞(Wiiliam Ramsay)與瑞里(Lord Rayleigh)等人便是藉了特普勒幫浦抽真空之力而發(fā)現(xiàn)稀有氣體并將之分離出來(12)，同時(shí)也將這些元素編列到元素周期表之中。
G.低溫冷凝(Cryogenics)作用的提升與冷凝幫浦(Cryo-pumping)的發(fā)明 雖然在1885年s*次把空氣凝結(jié)成液體，但是對(duì)於如何儲(chǔ)存這種冷凝液體的方法要到1892年狄瓦(Dewar)設(shè)計(jì)了一個(gè)真空容器來儲(chǔ)存冷凝的液態(tài)空氣才解決。他發(fā)現(xiàn)以一個(gè)抽了高真空的容器加上容器壁(玻璃)上鍍一層銀，可以減少由容器外界流入之熱量達(dá)1/30倍:大約同時(shí)，他也認(rèn)為以冷凍的活性炭(charcoal)可以吸附大量的氣體，所以可以應(yīng)用到真空抽氣幫浦上，便是"冷凝幫浦"，當(dāng)時(shí)利用這種冷凍活性炭來抽真空可以達(dá)到10-5 Torr以下氣壓之高真空，以致麥?zhǔn)险婵沼?jì)(Mcleod gauge)無法量得其真空度。
H.度量衡(Metrology)技術(shù)的提升 想要利用一般的分析天平精確地量測(cè)質(zhì)量，卻由於待測(cè)物體的密度不一，以致受到了不同的浮力效應(yīng)(buoyancy effects) ，使所量到的物體重量與實(shí)際值有差異；此外，物體的表面積也不同，以致因吸收了大氣中的水氣而使量測(cè)值改變。為了解決這二個(gè)問題必須在真空中來量測(cè)物體的重量，而且盡管操作上較不容易，但至少裝天平的容器要密封抽氣且要耐得住相當(dāng)可觀的大氣壓力，由密勒(W.H. Miller)所設(shè)計(jì)制造的一個(gè)真空天平容器其前後門是用厚l 3/4英寸的玻璃板做的，在1872年到1892年期間在英國(guó)演被用來做完全相同物體重量精確量測(cè)與比較之標(biāo)準(zhǔn)。(13) I.白熱光照明的發(fā)明在1879年，愛迪生(Edison)由美國(guó)普林斯頓大學(xué) 借了一個(gè)美國(guó)第一個(gè)史普仁格幫浦使用，結(jié)果成功地研 究發(fā)明碳絲燈，在他的專利證書上說："我發(fā)現(xiàn)將一根棉線經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶蓟幚磲?，裝進(jìn)一個(gè)密封的玻璃燈炮中，并抽真空達(dá)百萬分之一的大氣壓後，其電阻約 100到 500Ω之間，然後通以電流，則其即使在相當(dāng)高的溫度時(shí) 仍絕對(duì)穩(wěn)定。"這也是第一個(gè)經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠的家用電燈。
七、邁入二十世紀(jì)的真空—藍(lán)米爾(Langmuir) 在二十世紀(jì)初期，真空科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)展相當(dāng)大，在極短的時(shí)間內(nèi)，由氣體動(dòng)力論的發(fā)展，回轉(zhuǎn)機(jī)械幫浦與水跟擴(kuò)散幫浦的發(fā)明，熱傳導(dǎo)真空計(jì)與離子真空計(jì)到冷凝阱與烘烤等處理步驟的發(fā)展，顯出突飛猛進(jìn)的神速進(jìn)步。到了1922年，達(dá)胥曼(Dushman)已有了詳盡完整的描述。(14)在當(dāng)時(shí)主要的研究在於了解氣體放電，X-射線、熱游離放射(thermionic emmiion)、光電子放射、固體蒸發(fā)與表面化學(xué)等方面。盡管當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家與工程師對(duì)於這些發(fā)展皆有貢獻(xiàn)，但對(duì)於真空科學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用方面貢獻(xiàn)z*大的要算是藍(lán)米爾(lrving Langmuir)了。藍(lán)米爾自1909年起，便窮其畢生專職於紐約奇異研究實(shí)驗(yàn)室(General Electric Research Lab.)工作。他的工作起源於z*初的求知慾想了解真空對(duì)生命的影響、燈炮的效率以及為何其在使用時(shí)會(huì)變黑等。在1920年，他便進(jìn)行了量測(cè)蒸氣壓力、低氣壓的化學(xué)反應(yīng)、氣體的分解、氣體的表面吸附作用、鎢絲燈變黑、熱游離放射與原子的結(jié)構(gòu)等相當(dāng)前衛(wèi)的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)他也發(fā)展了玻璃與金屬制之?dāng)U散幫浦(diffusion pump)當(dāng)時(shí)他稱為凝結(jié)幫浦(condeation pump)以及二個(gè)靈敏的分子黏滯真空計(jì)(molecular viscosity gauge)。他一些影響z*深遠(yuǎn)的研究則在於表面化學(xué)與觸媒作用等領(lǐng)域，而且大肆改革在這些范疇之內(nèi)的舊思想，即提出這種異質(zhì)成分的觸媒反應(yīng)過程不只發(fā)生於凝結(jié)在表面之分子〝厚膜〞中，而且在一固體表面的單層氣體分子也一樣為受到相同的力將原子固著於物體之上。在1915年，他研究了鉑(Pt)表面之CO觸媒氧化作用，并結(jié)論說明氧與CO之單層厚度不超過一個(gè)分子大小，同時(shí)由於碳原子的不飽合特點(diǎn)而導(dǎo)致CO在鉑表面上的化學(xué)交互作用，即"化學(xué)吸附作用(chemisorption)"。藍(lán)米爾當(dāng)時(shí)還提出許多富有科學(xué)性的問題，至今的許多科學(xué)家仍在研究當(dāng)中，可能在這整個(gè)二十世紀(jì)當(dāng)中再也沒有一個(gè)真空科學(xué)家能和他相提并論的了。
八、結(jié)語(yǔ) 真空工程的技術(shù)與知識(shí)已和物理、化學(xué)及工程等學(xué)問平行發(fā)展且影響深遠(yuǎn)超過了300年的光陰。在十八世紀(jì)時(shí)真空技術(shù)奠定了大型機(jī)械引擎的技術(shù)基礎(chǔ)而且引發(fā)了工業(yè)革命；而在當(dāng)今二十世紀(jì)末期之高度復(fù)雜性真空科學(xué)與技術(shù)已開始為另一個(gè)嶄新的革命—微電子革命(Microelectronics Revolution)以及其在生活上所造成遠(yuǎn)大的沖擊性而摧生。期盼讀者們能從本文中所提到的真空觀念及其變革了解真空的發(fā)展以及對(duì)這些革命的沖擊性。
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早期的真空發(fā)展與應(yīng)用—從亞里斯多德到藍(lán)米爾— 熊 高 鈺（本文作者現(xiàn)為同步輻射研究中心副研究員兼真空組小組長(zhǎng)） 譯述自美國(guó)真空學(xué)會(huì)創(chuàng)立三十周年紀(jì)念論文Theodore E. Madey,J. Vac. Sci. Technol. A2(2), 110(1984)
一、前言 古云："自然憎惡真空(nature abhors a vacuum)"。任何一位研究真空的科學(xué)家聽了這句話一定覺得好笑，然而它卻說明了古代人對(duì)於"真空"的概念是起源於亞里斯多德(Aristote)以及他的隨從們皆認(rèn)為"真空"在邏輯上是不可能有的。亞里斯多德從〝物體所占據(jù)的范圍"來定義"空間(ace)"，而"真空(vacuum)"意謂著"不含任何物體的空間"，因此從邏輯的觀點(diǎn)，既然"空間"必含有物，所以無所謂的"真空"。這個(gè)觀念持續(xù)了將近1800年之久，直到16世紀(jì)末才略有改觀。即使在17世紀(jì)，著名的法國(guó)哲學(xué)家笛卡爾(Descartes)仍強(qiáng)烈地否認(rèn) "真空"存在的可能性。對(duì)於以幫浦抽水只能達(dá)到某一高度極限以及越過某一高度以上的虹吸管即不發(fā)生作用等現(xiàn)象當(dāng)時(shí)的解釋為由於幫浦作用不完全或者在虹吸管中有一股神秘未知的力所致；而空氣具有重量以及承受壓力的觀念也是後來逐漸地為人所理解與接受。自古以來，科學(xué)的觀念大多基於哲學(xué)家的沈思而很少是根據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)的解釋，這種觀念歷經(jīng)了多個(gè)世紀(jì)人們?cè)缫蚜?xí)以為常。但從第十七世紀(jì)開始，由於一些偉大科學(xué)實(shí)驗(yàn)家的努力，才使得真空科學(xué)打破傳統(tǒng)邁出革命性的一大步。本文將簡(jiǎn)述自早期到二十世紀(jì)初之間有關(guān)真空科學(xué)與技術(shù)的歷史淵源，包括真空的形成及其在科學(xué)與工程上的應(yīng)用等相關(guān)觀念之發(fā)展、幫浦與真空計(jì)的歷史以及歷代以來對(duì)於真空度的需求、產(chǎn)生與特性之演變等內(nèi)容。
二、第一個(gè)真空實(shí)驗(yàn)— —十七世紀(jì) 一般人都認(rèn)為托里切利(Torricelli)s*先發(fā)明氣壓計(jì)(barometer)，然而經(jīng)過密得頓(Middleton)審慎地考察發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生真空的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)是在1640年由一位名叫伯提(Gaaro Berti)的年輕義大利人所做的。(1)當(dāng)時(shí)他基於虹吸管問題的動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)生真空的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本上是一個(gè)"水壓力計(jì)(Water barometer)”，如圖一所示，將一支長(zhǎng)鉛管(AB)插人水中，并將下端浸在水中之活栓(R)關(guān)緊，然後經(jīng)由鉛管上端之活栓(G)把水注滿整個(gè)鉛管系統(tǒng)內(nèi)部，再關(guān)緊上方G處與D處之活栓。此時(shí)，將活栓R打開，系統(tǒng)內(nèi)部的水位再降低至L處，則在水面上方的空間即為真空狀態(tài)。很不幸!在上端球形容器中M處掛著一只小鈴當(dāng)?shù)穆曇魠s仍讓四周半信半疑的人們清楚地聽見(基本上，假設(shè)聲音是要靠介質(zhì)傳遞的。），以致舉世s*削的這個(gè)真空實(shí)驗(yàn)未被采信。托里切利由於伯提實(shí)驗(yàn)的影響，使他對(duì)空氣壓力的觀念更明朗，因而在1644年設(shè)計(jì)了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)不但能產(chǎn)生真空，并且研制了一套可以顯示氣壓變化的儀器(實(shí)際的實(shí)驗(yàn)可能由托里切利描述其構(gòu)想，而由另一位維偉安尼(Vivian)來進(jìn)行)。托里切利使用充滿汞的玻璃管即第一個(gè)汞壓力計(jì)，如圖二所示，此實(shí)驗(yàn)提出頗令人信服的論證，即將裝滿汞的玻璃管倒插入充滿汞的容器中，此時(shí)管內(nèi)汞上方所留下的空間使為〝真空〞；同時(shí)，汞的高度與容器的體積大小無關(guān)，若以水由下方灌入，便會(huì)充滿整個(gè)管子。這便是你我都熟知的托里切利實(shí)驗(yàn)。盡管如此，當(dāng)時(shí)亞里斯多德仍不認(rèn)為所產(chǎn)生的是"真空"，而以為管上方的空間中充滿著一種稀薄物質(zhì)，或可說是由汞所釋出(breathed out)的靈氣(irit)，并藉著這種物質(zhì)與汞之間的吸引力來支持管中汞液維持一定的高度。在1648年的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)由帕斯卡(Pascal)的堂兄弟斐瑞爾(Perier）所做的，後來密得頓稱當(dāng)時(shí)是理念史上偉大的一刻。斐瑞爾帶著一個(gè)前述之壓力計(jì)及約四公斤重的汞登上一座高約l000米的高山(稱作Puy de Dome)，并雇了一位僧侶在登山的途中一路上盯著汞壓力計(jì)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在山頂上所量得汞柱的高度比在山腳下低了7.5公分。這個(gè)實(shí)驗(yàn)與一連串〝真空中的真空〞實(shí)驗(yàn)(即在一個(gè)真空系統(tǒng)中裝一個(gè)壓力計(jì))已改變了以往的舊觀念，也就是"真空可以被產(chǎn)生"與"空氣壓力是實(shí)在的"。到了十七世紀(jì)的中葉，已有許多關(guān)於真空性質(zhì)的論述，如充了氣的氣囊在真空中會(huì)膨脹、在真空中不能助燃與生存以及聲音不能在真空中傳遞等。然而對(duì)於光何以能在真空中行進(jìn)的疑惑，直到十九世紀(jì)時(shí)由馬克斯威爾(Maxwell)解釋才得以澄清。
三、抽氣幫浦的發(fā)明—葛里克(OTTO VON GUERICKE) 在十七世紀(jì)的科學(xué)發(fā)展中，葛里克發(fā)明了抽氣的幫浦(真空幫浦)具有相當(dāng)大的實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)，與當(dāng)時(shí)其他發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡及擺鐘等并稱為該世紀(jì)四件z*偉大的技術(shù)發(fā)明。(2)早在1640年左右，葛里克曾做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，想將一個(gè)裝滿水的木桶(抽水幫浦)把水抽掉，看是否能在桶中產(chǎn)生真空。(3)如圖三所示，由幾位壯漢合力抽水 時(shí)，可聽見空氣由木桶孔隙沖進(jìn)的聲音，實(shí)驗(yàn)結(jié)果甭說， 也失敗了。在稍晚的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他制造了一個(gè)大銅球，并裝上幫浦，這回不抽水而直接抽氣，當(dāng)球內(nèi)的空氣快被抽掉時(shí)，球突然爆破掉而且聲音震耳欲聾，葛里克認(rèn)定大氣壓力是使球體碎裂的主因，後來這個(gè)問題在建立一個(gè)比一個(gè)堅(jiān)固完美的球體後終於解決了。之後，葛里克更進(jìn)一步設(shè)計(jì)制造了一個(gè)產(chǎn)生真空的特制活塞式抽氣幫浦，也是第一個(gè)空氣幫浦。而且經(jīng)歷了一連串的變革，後來的幫浦已改進(jìn)了系統(tǒng)密封方式與閥門，使此種活塞式幫浦中的死角減到z*小。然後他進(jìn)行了一段長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究許多真空的性質(zhì)；此外，他觀察到能量對(duì)應(yīng)於氣壓的關(guān)系且造成〝飛沙走石〞的現(xiàn)象，推論風(fēng)暴是起源於大氣的壓力差異所致。(4) 葛里克z*有名的實(shí)驗(yàn)，也就是膾炙人口的"馬德堡半球(Magdeburg emiheres)"實(shí)驗(yàn)。如圖四所示，將一對(duì)直徑約33.6cm的厚銅制中空半球密合後抽真空，然後在二邊各以八匹馬同時(shí)向二方拉，結(jié)果無法拉開，z*後費(fèi)了九牛二虎之力才將這二個(gè)半球分離，而且發(fā)生如炮轟聲般的巨響，估計(jì)馬匹所施的力共約887公斤；當(dāng)時(shí)震驚了現(xiàn)場(chǎng)參觀包括國(guó)王、諸侯、眾臣民，而且在座人員皆贊嘆不已。此後，他又做了一個(gè)較大的銅球，直徑約49cm，這次使用了共24匹馬來拉，始終都拉不開，當(dāng)然只要把活栓打開充入空氣後，這二個(gè)半球便自己分開了。據(jù)葛里克之計(jì)算，要將這二個(gè)大半球分開，需要36匹馬的力量才能達(dá)成。起初葛里克的實(shí)驗(yàn)於1654年時(shí)在德國(guó)之雷根斯堡(Regehurg)進(jìn)行，後來應(yīng)皇室之邀請(qǐng)表演。由於葛里克的實(shí)驗(yàn)很快地傳遍了整個(gè)歐洲，許多人也陸續(xù)跟進(jìn)在各地重做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。一位熱衷的實(shí)驗(yàn)家也是英國(guó)皇家科學(xué)院創(chuàng)立人之一的波義耳(Robert Boyle)將葛里克所使用的抽氣幫浦加以改進(jìn)，并發(fā)展出一套在定溫下氣體壓力與體積之間關(guān)系的定律——即"波義耳定律(Boyle's Law)"。密得頓將第一次使用"barometer"(壓力計(jì))字的人歸於波義耳。
四、十八世紀(jì)到十九世紀(jì)初期之間的發(fā)展 有關(guān)氣體放電與真空科學(xué)相連結(jié)之研究發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)世紀(jì)，其起源於1676年初，一位法國(guó)大文學(xué)家皮卡得(Jean Picard)將汞壓力計(jì)帶進(jìn)一間暗室里，并將其上下?lián)u動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其發(fā)光。另有一位學(xué)者在1705年到1711年期間也做了一些z*早的分類實(shí)驗(yàn)，就是今天我們所稱的放電發(fā)光(electroluminescence)及增擦發(fā)光(tribolumineccence)等實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)為發(fā)光的效應(yīng)是由於磨擦產(chǎn)生的，并且與帶電作用相連結(jié)。(5)至於磨擦發(fā)光之解釋直到本世紀(jì)才較為明了，然而較為深入的研究結(jié)果仍不完整。(6)1740年時(shí)，在巴黎一位學(xué)者諾雷(Nollet)在一個(gè)蛋形的真空容器中產(chǎn)生了輝光放電的現(xiàn)象，該真空容器因而被稱為"電蛋(electric egg)"。後來在英國(guó)，戴維(Davy)與稍晚的法拉第(Faraday～1838年)也做了不少放電管的研究，後來放電實(shí)驗(yàn)中靠近陰極有一個(gè)"暗區(qū)(dark ace)"便是以"電學(xué)之父"——法拉第來命名。而有關(guān)放電的現(xiàn)象直到十九世紀(jì)末時(shí)克魯克斯(Crookes)、湯姆生(Thomson)與其他學(xué)者接續(xù)的實(shí)驗(yàn)才逐漸了解。自托里切利以後的幾個(gè)世紀(jì)中，都是以壓力計(jì)(barometer)來量測(cè)氣壓，為了提高z*測(cè)的靈敏度，上述的壓力計(jì)也經(jīng)過多次的修正與改進(jìn)基本設(shè)計(jì)，此外也致力於多液體壓力計(jì)(multiple liquid barometers)的研究。在十七世紀(jì)時(shí)，即有不少研究者發(fā)表有關(guān)壓力計(jì)中真空的改進(jìn)與維護(hù)之演說，到了1740年左右，使用這種壓力計(jì)通常要將管中的汞煮沸；在1772年，狄盧克(de Luc)發(fā)表說明其原因主要是要將管中汞本身內(nèi)含的空氣除去，這似乎是"真空烘烤(vacuum bakeout)"的第一個(gè)例子。抽氣幫浦的改進(jìn)起源於十八世紀(jì)時(shí)的豪克斯比(Haukee)與諾雷，但基本的設(shè)計(jì)仍是葛里克型式。當(dāng)時(shí)這種機(jī)械幫浦z*好的要算英國(guó)的紐曼(Newman)所建造，而於1851年倫敦大展示會(huì)中推出，勝過來自法國(guó)、丹麥等國(guó)家的其他幫浦。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，當(dāng)壓力計(jì)的讀數(shù)為30.08英寸汞柱高時(shí)，這種抽氣幫浦的壓力計(jì)可達(dá)30.06英寸汞柱高。居於十九世紀(jì)中葉所發(fā)展蓋斯勒(Geiler)、特普勒(Tople)與史普仁格(rengle)等汞幫浦之先。當(dāng)時(shí)產(chǎn)生高真空的方法皆采用托里切利法，而實(shí)驗(yàn)的"真空容器"就是汞壓力計(jì)頂端的那一部份空間。當(dāng)然，早期的學(xué)者并不了解"汞蒸氣"的存在，而始終認(rèn)為這種真空就是"完美"的真空。
五、十八、十九世紀(jì)期間的大型真空技術(shù) 正當(dāng)科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)真空科學(xué)的基本原理及哲學(xué)家們?yōu)檎婵盏拇嬖谛远鵂?zhēng)論不休之時(shí)，精明的工程師——實(shí)踐者已著手推廣應(yīng)用新發(fā)現(xiàn)的原理。若要說工業(yè)革命是起於一位天才——紐康門(Thomas Newcomen)設(shè)計(jì)了第一個(gè)實(shí)用的"大氣抽氣引擎(atmoheric pumping engines)"，一點(diǎn)也不夸張，他的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)在1712年s*次被應(yīng)用。(7)在一個(gè)有滑動(dòng)活塞之圓柱管中充滿了蒸氣，當(dāng)其凝結(jié)後便形成了真空，而在活塞另一邊的大氣則以相當(dāng)大的壓力將活塞推至底部。就是利用這種原理，紐康門將活塞連接大的梁桿，使設(shè)計(jì)出一連串的橫梁推動(dòng)引擎(beam engines)，在英國(guó)被廣泛地用於深井抽水，家庭供水與乾旱時(shí)工業(yè)水車之供水等。這些引擎比旋轉(zhuǎn)蒸氣引擎(rotary steam engines)早了七十年，而引進(jìn)了工業(yè)革命。在真空技術(shù)史上有一則有趣且鮮為人知的插曲，就是在十九世紀(jì)中葉時(shí)於愛爾爾、英國(guó)及歐洲大陸等地所建造的〝大氣軌(atmoheric railway)〞。(8)在1830年代，正當(dāng)蒸氣機(jī)車被認(rèn)為相當(dāng)不可靠、骯臟、嘈雜、笨重且功率負(fù)荷大與不能爬陡坡時(shí)，一些充滿幻想力的工程師便構(gòu)思一個(gè)建造乾凈、安寧、輕而且便宜低功率列車的計(jì)畫，藉著大氣壓力的力量推動(dòng)置於鐵軌兩軌中央的列車傳動(dòng)活塞。 1846年在英國(guó)的南帝汶(South Devon)海岸，由布魯涅耳(Brunel)建了如上述之系統(tǒng)(9)，其原理可由圖五中了解。沿著二鐵軌中間固定一長(zhǎng)而堅(jiān)固的鑄鐵管，其管徑由平地之15英寸可變化至陡坡地區(qū)之22英寸(因?yàn)榱熊囋诙钙聟^(qū)行駛時(shí)需要較大的推力，而22英寸管徑的表面積可使活塞由大氣壓力獲得較平地區(qū)更大的推力)。沿著這長(zhǎng)鑄鐵管的上方是一條寬約數(shù)英寸的長(zhǎng)狹縫，并以一長(zhǎng)條所謂的"縱向閥門(longitudinal valve)"封住，這種閥門的結(jié)構(gòu)示意圖如圖六所示。主要是一長(zhǎng)條皮帶，其一方邊緣封閉固定在長(zhǎng)狹縫邊緣，而另一方邊緣則由一鐵架撐緊并眾一種合成物質(zhì)(soap + cod oil)蟄於皮帶與狹縫緣之間而密封住。圖五中，在長(zhǎng)鑄鐵管中為一活塞(a)，列車之前輪軸藉著特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)(b)使固定在活塞(a)上。當(dāng)列車準(zhǔn)備啟動(dòng)時(shí)，在活塞"前方"約三英哩遠(yuǎn)處以一大型的抽氣幫浦(以約80馬力的蒸氣引擎推動(dòng)其作用)將活塞前三英哩之管內(nèi)空氣抽除，此時(shí)在活塞後面一專用於開啟"縱向閥門"(d)的滑輪(c)設(shè)計(jì)由皮帶(d)下方將皮帶頂起，使空氣進(jìn)入管內(nèi)活塞的〝後方〞，就靠此大氣壓力將活塞帶列車一路推進(jìn)到三英哩遠(yuǎn)的下一站；當(dāng)然沿途在滑輪(c)之後方有另一個(gè)滑輪(e)由皮帶上方將皮帶壓回原密封之位置，以便於下次系統(tǒng)抽氣。根據(jù)記載(8)在活寒前方的真空度約為16英寸汞柱，且其z*高速率可以平均時(shí)速64英哩行進(jìn)4英哩遠(yuǎn)(極速可達(dá)68mph)。這種大氣軌的設(shè)計(jì)的確相當(dāng)迷人，可惜它的生命正如曇花一現(xiàn)般地絢爛而短暫。種種不利的因素，例如列車啟動(dòng)時(shí)的意外、活塞損壞以及抽氣站故障等使其提前結(jié)束。其實(shí)z*重要的缺點(diǎn)在於上述縱向閥門的長(zhǎng)皮帶經(jīng)不起戎氣候變化及化學(xué)反應(yīng)的腐蝕作用而減低了其使用效率，加上用於密封用的合成物質(zhì)常讓好奇的老鼠啃得殘缺不全，使密封的功能大不如前。早在1844年史蒂芬生(Stepheon)便曾說過："以如此利用大氣的系統(tǒng)，必須靠整個(gè)機(jī)關(guān)每一個(gè)細(xì)節(jié)部份完全正常運(yùn)作始能整體有效地操作來講，要滿足大型交通運(yùn)輸?shù)男枨髮?shí)在是一項(xiàng)艱鉅而不易達(dá)成的任務(wù)"。z*後一個(gè)大氣軌系統(tǒng)位於巴黎附近的一條長(zhǎng)約5.5英哩列車線終於在1860年停駛了。至今尚有一件將真空技術(shù)應(yīng)用於生活中的例子是藉充氣管傳送郵件、音信。1886年英國(guó)不列顛郵局便在倫敦設(shè)置一長(zhǎng)34 1/2英哩之管，并充以12i的壓縮空氣或 6 1/2 i之大氣來推進(jìn)傳送裝置。1897年在美國(guó)紐約、波士頓與費(fèi)城等地亦有類似的系統(tǒng)，十年前在美國(guó)許多百貨公司還利用這種充氣管來控制鈔票兌現(xiàn)傳送呢！
六、真空科學(xué)與近代物理、化學(xué)的誕生——十九世紀(jì)末期 真空科學(xué)與技術(shù)在近代物理及化學(xué)許多實(shí)驗(yàn)之基礎(chǔ)準(zhǔn)備上扮演著關(guān)鍵的角色。各種難解的問題諸如電子與X-射線的發(fā)現(xiàn)、稀有氣體的分離與確認(rèn)、氣體放電的闡釋及冷凍的改進(jìn)等皆由於真空方法的運(yùn)用而得以迎刃而解。真空技術(shù)對(duì)於近代科學(xué)誕生的沖擊可由下列的例子得到顯著的答案。自1901年至1906年間24位物理與化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)得主中便有五位是基於1800年代期的真空量測(cè)。包括侖琴「Rontgen)發(fā)現(xiàn) X-射線、瑞里(Rayleigh)發(fā)現(xiàn)氬氣、蘭姆塞(Ramsay)發(fā)現(xiàn)稀有氣體、雷納德(Lenard)研究陰極射線以及湯姆生(Thomson)研究氣體的電導(dǎo)性等。在十九世紀(jì)稍晚時(shí)期，新發(fā)明的特普勒幫浦(1862)、史普仁格幫浦(1865)與麥可雷歐得真空計(jì)(McLeod gauge, 1874)等使一般真空系統(tǒng)的真空度提高達(dá)10-3～10-4 Torr(約10-1～10-2 Pa)的層次。當(dāng)時(shí)大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)皆采用玻璃容器，而電導(dǎo)引(electricalfeedthrough)的安裝則使用白金(Pt)密封。
對(duì)於十九世紀(jì)末期有關(guān)真空科學(xué)與技術(shù)之進(jìn)展，分別簡(jiǎn)述於后：
A﹒氣體放電(Gaseous discharge)的改進(jìn) 當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家相當(dāng)熱衷於氣體放電的研究，并且希望得到漂亮的結(jié)果，因此促使他們對(duì)實(shí)驗(yàn)所需之真空系統(tǒng)不斷地改良。在1879年左右克魯克開始進(jìn)行一連串的放電實(shí)驗(yàn)，他主要觀察陰極附近的暗區(qū)(該暗區(qū)後來以他來命名)，并且指出一種"陰極射線(cathode rays)"的束流帶有足以引起加熱弘效應(yīng)的能量。當(dāng)他移動(dòng)輻射計(jì)時(shí)，便發(fā)現(xiàn)陰極射線照射玻璃所產(chǎn)生的螢光，此外由陰極射線在磁場(chǎng)中運(yùn)行的軌跡被偏轉(zhuǎn)而證明這種束流是一群帶負(fù)電荷的粒子。(10)艾額斯特(Elster)與蓋特(Geitel)在l880年所做的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真空中或氣體中的熱燈絲會(huì)放叫出負(fù)電荷之粒子，且其放射率隨著燈絲溫度的上升而迅速增加。(10,11)不久之後維尼爾特(Wehnelt)也發(fā)現(xiàn)一些金屬氧化物如鈣與鋇等比一般金屬更容易放射出大量的負(fù)電粒子，這也是第一個(gè)氧化的陰極。此後，采用此種維尼爾特陰極與蓄電池可增加氣體放電的穩(wěn)定性有助於對(duì)各種暗區(qū)以及條紋放電之研究。
B.光電效應(yīng)(Photoelectric effect)的研究 l887年赫茲(Hertz)發(fā)現(xiàn)將紫外光照射在一種充了電的火花放電狹縫(ark gap)材料上能夠促使此裝置 產(chǎn)生火花放電的效應(yīng)，導(dǎo)致一系列用紫外光及其他光源照射在充了電的物體上使產(chǎn)生放電效應(yīng)之研究。艾額斯特與蓋特曾將各種金屬材料依〝充負(fù)電而藉光以觸發(fā)放電〞之難易度來排列，發(fā)現(xiàn)以銣(Rb)與鉀(K)之效果z*好，以碳(C)及汞(Hg)之效果z*差。雷納德發(fā)現(xiàn)盡管電荷放射率隨光強(qiáng)度增加，然而所放射出的負(fù)電荷粒子之能量與入射光之強(qiáng)度大小無關(guān)。但對(duì)於這些現(xiàn)象仍存在不少疑點(diǎn)，直到1905年愛因斯坦(Eitein)提出了光電效應(yīng)理論時(shí)才得到較合理的解釋，說明了光子能量與村料表面功函數(shù)(Work function)及所放出之電子能量間的關(guān)系。
C.電子的發(fā)現(xiàn) 在1898年，H姆生iJ.J.Thomson)綜合紛了各種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并說明無論在任何的放電來源，包括藉感應(yīng)線圈放電而由材料表面放射出負(fù)粒子及利用熱燈絲放射出之熱負(fù)粒子，其荷質(zhì)比(e/m)值皆相同，證明這些負(fù)粒子是同一種粒子，就是"電子(electron)"，而且他更進(jìn)一步認(rèn)定電子的質(zhì)量要比氫原子小約1000倍。由於他的發(fā)現(xiàn)與結(jié)論平息了風(fēng)行數(shù)年期間對(duì)陰極射線本質(zhì)的激烈爭(zhēng)論。
D.X-射線的發(fā)現(xiàn) 侖琴(W.K. Rontgen)在1895年發(fā)現(xiàn)當(dāng)放電真空管內(nèi)真空度較高時(shí)(≦10-2 Torr)，在玻璃管壁上可看到螢光，這種輻射光具有高穿透性，除了能穿過空氣、肉體之外，也可以透過薄金屬片。有關(guān)這種〝X-射線〞(當(dāng)時(shí)實(shí)在不明了這是何種射線，只好暫名為X-ray)的特性，侖琴也做了相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)。
E.濺射(uttering)現(xiàn)象的研究 1852年時(shí)，葛洛夫(W.R.Grove)s*次發(fā)現(xiàn)在氣體放電時(shí)陰極附近產(chǎn)生濺射的作用，把陰極材料表面變成光滑的平面，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖七所示。直到50年之後才了解這種濺射現(xiàn)象的原因是由於"正輻射線—離子"撞擊陰極表面而造成。(5)第一個(gè)證明這種正離子撞擊陰極同時(shí)也產(chǎn)生二次電子的是湯姆生(J.J. Thomson)。
F.化學(xué)(Chemistry)領(lǐng)域的拓展 在1890年代期間，蘭姆塞(Wiiliam Ramsay)與瑞里(Lord Rayleigh)等人便是藉了特普勒幫浦抽真空之力而發(fā)現(xiàn)稀有氣體并將之分離出來(12)，同時(shí)也將這些元素編列到元素周期表之中。
G.低溫冷凝(Cryogenics)作用的提升與冷凝幫浦(Cryo-pumping)的發(fā)明 雖然在1885年s*次把空氣凝結(jié)成液體，但是對(duì)於如何儲(chǔ)存這種冷凝液體的方法要到1892年狄瓦(Dewar)設(shè)計(jì)了一個(gè)真空容器來儲(chǔ)存冷凝的液態(tài)空氣才解決。他發(fā)現(xiàn)以一個(gè)抽了高真空的容器加上容器壁(玻璃)上鍍一層銀，可以減少由容器外界流入之熱量達(dá)1/30倍:大約同時(shí)，他也認(rèn)為以冷凍的活性炭(charcoal)可以吸附大量的氣體，所以可以應(yīng)用到真空抽氣幫浦上，便是"冷凝幫浦"，當(dāng)時(shí)利用這種冷凍活性炭來抽真空可以達(dá)到10-5 Torr以下氣壓之高真空，以致麥?zhǔn)险婵沼?jì)(Mcleod gauge)無法量得其真空度。
H.度量衡(Metrology)技術(shù)的提升 想要利用一般的分析天平精確地量測(cè)質(zhì)量，卻由於待測(cè)物體的密度不一，以致受到了不同的浮力效應(yīng)(buoyancy effects) ，使所量到的物體重量與實(shí)際值有差異；此外，物體的表面積也不同，以致因吸收了大氣中的水氣而使量測(cè)值改變。為了解決這二個(gè)問題必須在真空中來量測(cè)物體的重量，而且盡管操作上較不容易，但至少裝天平的容器要密封抽氣且要耐得住相當(dāng)可觀的大氣壓力，由密勒(W.H. Miller)所設(shè)計(jì)制造的一個(gè)真空天平容器其前後門是用厚l 3/4英寸的玻璃板做的，在1872年到1892年期間在英國(guó)演被用來做完全相同物體重量精確量測(cè)與比較之標(biāo)準(zhǔn)。(13) I.白熱光照明的發(fā)明在1879年，愛迪生(Edison)由美國(guó)普林斯頓大學(xué) 借了一個(gè)美國(guó)第一個(gè)史普仁格幫浦使用，結(jié)果成功地研 究發(fā)明碳絲燈，在他的專利證書上說："我發(fā)現(xiàn)將一根棉線經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶蓟幚磲?，裝進(jìn)一個(gè)密封的玻璃燈炮中，并抽真空達(dá)百萬分之一的大氣壓後，其電阻約 100到 500Ω之間，然後通以電流，則其即使在相當(dāng)高的溫度時(shí) 仍絕對(duì)穩(wěn)定。"這也是第一個(gè)經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠的家用電燈。
七、邁入二十世紀(jì)的真空—藍(lán)米爾(Langmuir) 在二十世紀(jì)初期，真空科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)展相當(dāng)大，在極短的時(shí)間內(nèi)，由氣體動(dòng)力論的發(fā)展，回轉(zhuǎn)機(jī)械幫浦與水跟擴(kuò)散幫浦的發(fā)明，熱傳導(dǎo)真空計(jì)與離子真空計(jì)到冷凝阱與烘烤等處理步驟的發(fā)展，顯出突飛猛進(jìn)的神速進(jìn)步。到了1922年，達(dá)胥曼(Dushman)已有了詳盡完整的描述。(14)在當(dāng)時(shí)主要的研究在於了解氣體放電，X-射線、熱游離放射(thermionic emmiion)、光電子放射、固體蒸發(fā)與表面化學(xué)等方面。盡管當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家與工程師對(duì)於這些發(fā)展皆有貢獻(xiàn)，但對(duì)於真空科學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用方面貢獻(xiàn)z*大的要算是藍(lán)米爾(lrving Langmuir)了。藍(lán)米爾自1909年起，便窮其畢生專職於紐約奇異研究實(shí)驗(yàn)室(General Electric Research Lab.)工作。他的工作起源於z*初的求知慾想了解真空對(duì)生命的影響、燈炮的效率以及為何其在使用時(shí)會(huì)變黑等。在1920年，他便進(jìn)行了量測(cè)蒸氣壓力、低氣壓的化學(xué)反應(yīng)、氣體的分解、氣體的表面吸附作用、鎢絲燈變黑、熱游離放射與原子的結(jié)構(gòu)等相當(dāng)前衛(wèi)的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)他也發(fā)展了玻璃與金屬制之?dāng)U散幫浦(diffusion pump)當(dāng)時(shí)他稱為凝結(jié)幫浦(condeation pump)以及二個(gè)靈敏的分子黏滯真空計(jì)(molecular viscosity gauge)。他一些影響z*深遠(yuǎn)的研究則在於表面化學(xué)與觸媒作用等領(lǐng)域，而且大肆改革在這些范疇之內(nèi)的舊思想，即提出這種異質(zhì)成分的觸媒反應(yīng)過程不只發(fā)生於凝結(jié)在表面之分子〝厚膜〞中，而且在一固體表面的單層氣體分子也一樣為受到相同的力將原子固著於物體之上。在1915年，他研究了鉑(Pt)表面之CO觸媒氧化作用，并結(jié)論說明氧與CO之單層厚度不超過一個(gè)分子大小，同時(shí)由於碳原子的不飽合特點(diǎn)而導(dǎo)致CO在鉑表面上的化學(xué)交互作用，即"化學(xué)吸附作用(chemisorption)"。藍(lán)米爾當(dāng)時(shí)還提出許多富有科學(xué)性的問題，至今的許多科學(xué)家仍在研究當(dāng)中，可能在這整個(gè)二十世紀(jì)當(dāng)中再也沒有一個(gè)真空科學(xué)家能和他相提并論的了。
八、結(jié)語(yǔ) 真空工程的技術(shù)與知識(shí)已和物理、化學(xué)及工程等學(xué)問平行發(fā)展且影響深遠(yuǎn)超過了300年的光陰。在十八世紀(jì)時(shí)真空技術(shù)奠定了大型機(jī)械引擎的技術(shù)基礎(chǔ)而且引發(fā)了工業(yè)革命；而在當(dāng)今二十世紀(jì)末期之高度復(fù)雜性真空科學(xué)與技術(shù)已開始為另一個(gè)嶄新的革命—微電子革命(Microelectronics Revolution)以及其在生活上所造成遠(yuǎn)大的沖擊性而摧生。期盼讀者們能從本文中所提到的真空觀念及其變革了解真空的發(fā)展以及對(duì)這些革命的沖擊性。
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