真空(しんくう、
vacuum)とは、
物理学の概念で、大気圧より低い空間状態のこと。意味的には、古典論と量子論で大きく異なる。
古典論における真空
古典論において、真空は「何も無い状態」である。実用的には次の二つに大別される。
-
絶対真空：物質・圧力が 0 の状態。実現するのは非常に困難である。
-
負圧：標準大気圧より圧力が低い状態。JIS によって圧力の段階ごとに区分されている。
負圧は、しばしば俗に「真空度が良い」「真空度が悪い」「真空度が駄目」などという使い方をされる。
真空ポンプを用いて真空を得ることができる。真空度の単位は
Torr(トル)が用いられてきたが、
SI単位系への統一に伴い、
Pa(パスカル)に移行しつつある。1
atm=1.01325×10
5Pa=760Torrである。
用途にもよるが、一般に圧力が 10-4Pa より低くなると良い真空、10-6Pa 以下は高真空、10-8Pa 辺りになると超高真空と呼ばれるようである。
真空状態の作り方
大気中にある容器内を真空にするために各種の
真空ポンプを使用する。
スパッタ等の真空成膜装置ではプラズマ発生時に他の気体が残留するのを防ぐため、10
-5Pa程度の真空度が求められる。このような場合、金属製のチャンバと銅ガスケットを用い、
ターボ分子ポンプ(TMP)で排気することにより達成できる。
MBEや
電子顕微鏡、
粒子加速器等、10
-9Pa台の超高真空が求められる場合は、達成に更に多くの工程が必要となる。チャンバをTMPで高真空状態にした後、チャンバ全体を加熱(ベーキング)して、チャンバ内壁に付着した気体分子を排除する必要がある。排気は大排気量のTMPのみでも可能であるが、多くの場合は
イオンポンプや
ゲッターポンプが用いられる。MBE用のチャンバでは、チャンバ内で蒸着を行うため、チャンバの壁面に液体窒素シュラウドを設け、壁面を冷却することで内部に残留した気体分子を固着させ、真空度を上げる手法も用いられている。
容積
Vを排気速度
Sのポンプで排気したときの圧力
p＝
p0exp(
St/
V)となる。ただし
t＝0で
p＝
p0とする。また、コンダクタンス
C1のパイプの長さを
m倍にすると、コンダクタンスは
C1/
mになる。
真空をめぐる歴史
真空の存在については
古代ギリシア時代から、論争が繰り広げられてきた。
デモクリトスの
原子論では、万物の根源である粒子アトム(atom)が、無限の空虚な空間であるケノン(kenon)の中で運動しているとして、真空の存在を認めていたが、
アリストテレスは「自然は真空を嫌う」（真空嫌悪）と述べ、空間は必ず何らかの物質が充満しているとして、真空の存在を認めなかった。
量子論における真空
ポール・ディラックは、真空を負エネルギーを持つ電子がぎっしりと詰まった状態（
ディラックの海）と考えていたが、後の物理学者により、この概念（空孔理論）は拡張、解釈の見直しが行われている。
現在の場の量子論では、真空とは、その物理系の最低エネルギー状態として定義される。粒子が存在して運動していると、そのエネルギーが余計にあるわけだから、それは最低エネルギー状態でない。よって粒子はひとつもない状態が真空であるが、場の期待値はゼロでない値を持ちうる。それを
真空期待値という。
たとえば、
ヒッグス場がゼロでない値をもっていることが、電子に質量のあることの原因となっている。
関連項目
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出典:「フリー百科辞典ウィキペディア」(2009-01-01)
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