气体分子在材料表面的吸附——科研仪器定制

  任何材料的新鲜表面能够不断地吸附气体，直到饱和为止，这种吸附现象可根据作用力的形式分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是由范德瓦耳斯力产生，类似于气体的液化，科研仪器定制最 低的吸附能量E称为吸附热（在数值上等于分子脱离表面时必须克服的位垒高度E_P），一般在10kcal/mol（1kcal=4.18kJ）以下，物理吸附是可逆的，气-固分子间不会出现电子转移或波函数的重叠等现象。

  图中所示为分子被吸附在表面上时的吸附位能曲线。曲线A的位能阱和曲线B的位能阱有一个能量位垒，用E_a表示。到达曲线A的位能阱的原子或分子可能越过这个位垒并落入曲线B的位能阱中，曲线B的位能阱有很强的束缚力，使落入其中的分子解离导致化学吸附。化学吸附类似于形成化合物，有电子交换，其吸附热较高，分子脱离表面时必须克服的位垒高度为E_C，一般大于10kcal/mol，最 高可达2000kcal/mol。化学吸附是不可逆的现象，在室温下脱附过程缓慢，由于化学吸附的作用力的距离很短（0.1～0.3nm），吸附力只限于分子直径内的范围内，所以不可能发生多层吸附，并且只能在气-固组合之间的固体一定位置上发生，该位置一般称为吸附位或吸附中心。

    材料对气体分子的吸附与解附对于超高真空获得有着非常重要的意义。利用各种吸附剂材料，例如活性炭、硅胶、活性氧化铝、分子筛以及钡、锆、钛等活性金属制作清洁的吸附剂泵。另一方面材料的放气直接影响到获得高真空、超高真空的抽气时间。不考虑漏气条件下，高真空和超高真空的抽气时间主要由材料的放气速率决定，一般材料的放气速率呈指数衰减，使得抽气时间也随之呈指数延长。而将系统内的大气抽到低真空并不需要很久的时间。

    为了研究各种材料对不同气体的吸附作用，单位面积材料表面在单位时间内吸附的分子数称为吸附速率，单位为个/m³·s。影响吸附速率大小的因素有下列几种。

    ⑴.气体分子对表面的碰撞程度。吸附速率正比于碰撞频率，之间的关系如下式：

                     u_p=Γn·αp(个/m³·s)

                  Γn——碰撞频率

                  αp——吸附成功率

                   u_p— —吸附速率

    ⑵.表面覆盖率。在化学吸附中，气体分子必须与表面分子相接触，也就是说只有碰撞在表面的吸附空位上的分子才能实现吸附。碰撞在其它被吸附分子上，一般认为大部分返回到空间或者形成弱吸附的第二层，若吸附分子通过表面迁移，找到吸附空位形成化学吸附，亦可以停留在第二层不久，立刻脱附返回到空间。因此化学吸附随着表面覆盖度的增加，高吸附概率越来越小。物理吸附的吸附概率也随着覆盖度变化，科研仪器定制主要是吸附在表面分子上和吸附在以后各层分子上的吸附热不同的缘故。

    ⑶.激活能。活性化学吸附中，只有那些能量高于化学吸附激活能的分子才能被吸附。非化学活性吸附或物理吸附，不需要激活能，即分子原有能量在碰撞时能充分散失掉，否则分子仍有足够动能飞回空间。

    ⑷.吸附成功率。上式中比例系数α为吸附成功率（对于物理吸附称为吸附概率，对于化学吸附称为黏附概率。）分子即使具有阈值能量，并且碰撞在吸附空位上，能否被吸附还取决于碰撞机制。当空间分子热运动以平均动能接近固体表面时，开始收到范德瓦耳斯力吸引而落入第一个浅位阱E_P之中，这是放出一部分能量形成物理吸附。如果进入到位阱E_P后能再克服化学吸附的激活能Ea，解离成原子态进入深位阱E_C之中，这时放出较大能量形成化学吸附。