提到真空，你最先想到什么？是⼩学⼆年级就学过的“声⾳不能在真空中传播”，还是初中⼆年级学过的“托⾥拆利实验”，亦或是传说中的“⻢德堡半球实验”？不管你想到的是什么，真空对于我们来说并不陌⽣。如果你了解⼀下真空的定义，你就会惊奇的发现，真空⼀点也不神秘，你也经常跟它打交道。
真空的定义“真空(vacuum)”⼀词来⾃希腊语，意为“空的”，但是真空并不是空⽆所有的状态，即便是在银河系边缘也有⼤量物质分⼦存在。科学界对真空的普遍定义为：真空是指“压强低于⼀个⼤⽓压的⽓体状态”。那么仔细想想，当我们喝⽜奶的时候，喝⼝服液的时候，瓶⼦⾥的低⽓压状态是不是都可以称作“真空”呢？更简单⼀点，⽤⼿堵住针管的⼀段，拉动活塞，针管⾥⾯就是真空状态。不可思议？
没关系，我们先来看看真空发现的历史。早在1643年，意⼤利物理学家托⾥拆利（Torricelli）就做了⼀个著名的⼤⽓压实验——托⾥拆利实验。他在⼀段封闭的玻璃管中装满⽔银（Hg），然后将玻璃管倒扣在盛有⽔银的⼩槽中，玻璃管中的⽔银在重⼒作⽤下会下降，他发现，当⽔银柱⾼度下降到760mm时就不再下降，托⾥拆利认为玻璃管上端的空隙就是“真空”状态。
同时这个实验也得出结论，⼀个标准⼤⽓压强约为760mm汞柱。因为这个实验揭示了“真空”的存在，为了纪念托⾥拆利，“托（Torr）”也就成了衡量真空度的单位。时间过得⻜快，1654年，德国物理学家、⻢德堡市的市⻓奥托·冯·格⾥克为了进⼀步验证⼤⽓压强的存在，做了著名的⻢德堡半球实验。
他把两个直径约为50厘⽶的⾦属半球合起来，把⾥⾯抽成真空，然后⽤⼋匹⾼头⼤⻢向相反的⽅向拉，可是⽆论如何也拉不开这两块半球。这个实验⽣动形象⼜极具感染⼒地证明了⼤⽓压强的存在，也让我们体会到真空的魅⼒。因为这个实验是在德国⻢德堡市进⾏的，因此被称为“⻢德堡半球实验”。
真空的单位及分类那么根据托⾥拆利的实验，我们可以得出以下关系，1标准⼤⽓压(atm)=760mmHg=760Torr根据⽓体分⼦运动论，分⼦在永不停歇地做⽆规则运动，在运动中，分⼦之间会不断相互碰撞，或者时不时与容器壁碰撞，这些相互碰撞在统计意义上就产⽣了温度、压强等宏观现象。容器中分⼦数的多少可以⽤压强来衡量，⽽分⼦数的多少⼜反映了真空度的⾼低。因此真空度可以⽤压强来衡量。
真空与压强的关系为，真空度越⾼，压强越⼩；真空度越低，压强越⼤。正因为此，真空度的单位⽤的是压强单位。⼀个标准⼤⽓压⽤帕斯卡（Pa）表示为1atm=1.013×105Pa这样我们就得到不同真空单位之间的换算关系。有了单位，我们就可以对真空度进⾏划分。
国际上没有统⼀的划分标准，常⽤的划分是这样的，粗真空：760Torr~1Torr低真空：1Torr~10-3Torr⼀般真空：10-3Torr~10-6Torr⾼真空：10-6Torr~10-9Torr超⾼真空：10-9Torr~10-12Torr那么有了这个标准，我们上⾯提到的针管中的真空以及托⾥拆利实验中的真空就都属于粗真空的范畴了。那么实验室⾥常⽤的超⾼真空状态是怎么实现的呢？
这就涉及到了我们的核⼼内容——真空泵。抽真空的设备——真空泵实验室常⽤的真空泵有机械泵、涡轮分⼦泵、离⼦泵、钛升华泵、低温吸附泵、吸氢⽓泵⼏种，正是这些不同种类的泵⼀级级地抽，才能达到超⾼真空状态。我们知道，空⽓是由⼤量的⽓体分⼦构成的，含量最⾼的是氮⽓、氧⽓，还有少量的⼆氧化碳、氢⽓、⽔蒸⽓、稀有⽓体之类的。
⼀个密闭容器中所含的⽓体分⼦越少，它的真空度就越⾼，因此我们抽真空的⽬的就是尽可能地减少腔体中⽓体分⼦的数⽬，这就是这些真空泵要做的事情。这些真空泵按⼯作原理⼤致可以分为两类。⼀类是将⽓体不断吸⼊并排出体外的泵，例如机械泵、涡轮分⼦泵；⼀类是将⽓体分⼦吸附在内壁上的泵，例如钛升华泵、低温吸附泵、吸氢⽓泵。不管⼯作原理如何，这些泵的最终⽬的都是减少腔体内的⽓体分⼦数。
由于不同泵的构造不同，每种泵都有⾃⼰的⼯作区间，只有在⼀定的压强范围内才可以正常⼯作，否则就会损坏。不同泵的⼯作压强区间如下图所示。从上图我们可以看出，要达到超⾼真空，只⽤⼀种泵是⽆法实现的，需要不同种类的泵接⼒，像极了我们做科研的过程，不是吗？团队合作。在实验室，我们先⽤机械泵抽到粗真空，再打开分⼦泵抽到⾼真空，最后⽤离⼦泵或者钛升华泵抽到实验所需的真空状态。为什么实验室需要超⾼真空条件呢？
想象⼀下你变得跟⼀个分⼦⼀样⼤⼩，就像《蚁⼈》⾥⾯那样，你就会看到空⽓中1023量级的分⼦数，这些分⼦落在样品表⾯，就会把样品污染，⽆法探测样品表⾯的性质。那么在超⾼真空的腔体中，究竟还有多少分⼦呢？我们来做⼀个简单的计算。
在统计⼒学课上我们学过，利⽤经典⼒学规律，把⽓体分⼦看成刚性⼩球，可以⽤统计的⽅法得出⽓体压强公式：其中，n为⽓体分⼦数密度，m是分⼦质量，按照国际单位制，压强的单位为Pa根据能量均分定律，把每个⽓体分⼦看作质点（即简化为有质量的点），有三个振动⾃由度x,y,z，每个⾃由度的平均能量为其中，k=1.38×10-23J/K，为玻尔兹曼常数。则，这就得出了压强P和分⼦密度n以及温度T的关系。
如果我们在500℃把真空抽到5×10-8Pa，即T=773K，则（个）可以看出虽然我们已经抽到了超⾼真空，但是腔体内的分⼦数还是很多很多，这就是为什么我们要在超⾼真空条件下进⾏实验的原因。讲了这么多，不知道你有没有想过，我们是如何知道腔体内的真空度有多⾼的呢？度量真空的仪器——真空计是的，就像我们有温度计和湿度计⼀样，我们也有测量真空度的仪器——真空计。
我们已经知道，真空度的⾼低是⽤压强⼤⼩来衡量的，因此，真空计也是通过测量压强的⼤⼩来反映真空度的。真空计根据其⼯作原理⼤致可以分为两类：⼀类直接测量压强的⼤⼩，称为绝对真空计，例如U型真空计、压缩式真空计；⼀类是通过测量与压强有关的物理量，间接标定压强的数值，称为相对真空计，例如热传导真空计、电离真空计。在实验室常⽤的⼀般是相对真空计。
热传导真空计是⼀种测量低真空的真空计，顾名思义，就是利⽤热量变化来测量真空的仪器。它的原理就是将⼀根⾦属丝通电加热，由于⽓体分⼦的运动会带⾛⼀部分热量，因此达到热平衡时温度越⾼，就说明⽓体导⾛的热量越少，⽓体分⼦密度越⼩，也就是压强越低，真空度越⾼。电离真空计是⽬前采⽤最⼴的真空计，是⼀种测量⾼真空的真空计，只有在真空抽到⼀定量级时才可以打开。
它的⼯作原理为：具有⾜够能量的电⼦与⽓体分⼦碰撞，使⽓体分⼦电离，产⽣正离⼦和电⼦；电⼦在运动过程中与分⼦碰撞的次数正⽐于分⼦数密度，也即压强P，因此产⽣的正离⼦数就正⽐于压强P，可以通过测量正离⼦的多少来标定真空度的⾼低。如果你能看到这⾥，那么恭喜你，你已经对真空有了相当多的了解。春节回家，茶余饭后，⽼友聚会，你⼜多了⼀种谈资。
⼀句话总结⼀下，真空要⼀级⼀级抽，抽真空的仪器为真空泵，测量真空度实际是在测量压强，⽤的设备为真空计。那么，在真空的海洋⾥饱餐⼀顿之后，也不要忘记你⼿中的鹅腿，你的胃还在等着饱餐⼀顿呢。