この記事は ??可能 な ?考文?や出典 が全く示されていないか、不十分です。 出典を追加 して記事の信?性向上にご協力ください。 （ このテンプレ?トの使い方 ） 出典?索 ? :  "?空"  ?  ニュ?ス   · 書籍   · スカラ?   · CiNii   · J-STAGE   · NDL   · dlib.jp   · ジャパンサ?チ   · TWL （ 2011年7月 ）

?空 （しんくう、 英 : vacuum ）は、通常の 大?? より低い?力の ?? で?たされた空間の?態 ^[1] 。

また 物理? における?念として、 古典論 における 絶??空 、 量子論 における ?空?態 を指す場合にも用いられることがある。

?空を物理?の古典論における絶??空でいう物質が存在しない空間のように思われることがあるが、微視的ではない大きさの空間で物質が存在しない?態の?現は不可能である。(物理?の古典論における絶??空を?照)

各分野における?空の語義 [ 編集 ]

一般利用での?空 [ 編集 ]

日本産業規格 (JIS)では「通常の大??より低い?力の??で?たされた空間?の?態」とされている。

?空の?態は ?空ポンプ を用いて容器?部の??を排?することで得ることができる。 ?空度は?象の空間に存在する??原子?分子が外壁に及ぼす?力で表される。?位は Torr （トル）が用いられてきたが、 ?際?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 ⁵ Pa=760 Torrである。 ?空度は言葉のイメ?ジと表現が逆になるので注意が必要である（例：?空度が高い(高いレベルの?空度である)＝?力が低い）。

一般的な?力と同じくゲ?ジ?と絶??空度があり、それぞれ所謂 ゲ?ジ? と 絶?? に??している。丁度?氏?度(℃)と絶??度(K)のように、大??を0Paとしてそこからの?位量を示したものがゲ?ジ?。絶??空を0Paとしてそこからの積算を示したものが絶??空度である。

但しゲ?ジ??空度の場合、所謂ゲ?ジ?として?空?態を「ゲ?ジ??100kPa」のように負の値で表す場合と、別の?位として扱って「ゲ?ジ??空度100kPa」のように正の値で表す場合、更に「ゲ?ジ??空度?100kPa」のように表す場合があるので、仕?確認時に絶??空度かどうかと合わせて確認する必要がある。?、絶??空度の場合は「1.33×10-7kPa (abs) 」のように注記が入ることがある。

ISOにおける?空の領域の?分

ISO 3529-1では?空を?力領域により次のように?分している。

領域	英語名	?力範?	地球大?での同等の??の地点の地上からの距離
低?空	Low Vacuum	100 kPa～100 Pa	地上～約60 km
中?空	Medium Vacuum	100 Pa～0.1 Pa	約60 km～約90 km
高?空	High Vacuum	0.1 Pa～10 −5 Pa	約90 km～約250 km
超高?空	Ultra-high Vacuum	10 −5 Pa以下	約250 km～

?この超高?空より?空度の高い領域(主に10 ⁻⁸ または10 ⁻⁹ Pa以下)として 極高?空 (Extreme High Vacuum、XHV) という用語も使用されることがあるが、ISOでは定められていない。

物理?の?念としての?空 [ 編集 ]

古典論における絶??空

古典論において、?空は物質が存在せず??力が 0 の?想的?態、「何も無い?態」である。 絶??空 ともいう。

これは?念的なものであり、?際に?現可能なものではない。

絶??空とは空間中に原子?分子が一つも存在しない?態を表すが、具?的な方法で?現可能な?空?態(本稿で言う一般利用の?空?態)には物質が存在し?力が?測される。 例えば地球の表面上の?力（1??）= 100 kPa の?件の下では1 cm ³ 中の??分子は0 ℃時で2.69×10 ¹⁹ 個 ^{[注? 1]} 存在する。 ?空の?現とはその膨大な量の原子?分子を減らしていく過程であるが、人?的に作り出せる?空?態の限界は10 ⁻¹¹ Pa程度である。この?力下でも1 cm ³ に?千個の??分子が存在する。 宇宙空間においても空間中に物質が何も存在しないわけではなく??原子?分子は存在し、さらに外宇宙と呼ばれる 銀河 と銀河の間でも??原子?分子は存在するとされている。

量子論における?空?態

量子論 における?空は、決して「何もない」?態ではない。例えば常に 電子 と 陽電子 の ?想粒子 としての ?生成 や ?消滅 が起きている。 ^[2]

ポ?ル?ディラック は、?空を負エネルギ?を持つ電子がぎっしりと詰まった?態（ ディラックの海 ）と考えていたが ^[3] 、後の物理?者により、この?念（空孔理論）は?張、解?の見直しが行われている。

現在の場の量子論では、?空とは、十分な低??態下を?定した場合に、その物理系の 最低エネルギ??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?が余計にあるわけであるから、それは最低エネルギ??態でない。よって十分な低??態下では粒子はひとつもない?態が?空である。ただし、場の期待値はゼロでない値を持ちうる。それを ?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。

?空に?する?史 [ 編集 ]

?空の存在については 古代ギリシア 時代から、論?が繰り?げられてきた。紀元前5～4世紀、 レウキッポス と デモクリトス の 原子論 は、自然を構成する分割不可能な最小?位「原子(アトム)」が「空?(ケノン)」 の中で運動しているとした。一方、 アリストテレス は、空間には必ず何らかの物質が充?しているとして、空?の存在を認めなかった（ 自然は?空を嫌う （ 英語版 ） ） ^{[注? 2]} 。これに?して、アリストテレスの?派の ストラトン は、空?を?縮する??によって、原子の距離を縮め得る余地（すなわち原子が存在しない空間＝?空）の存在を主張した。

この議論に決着がついたのは 17世紀 に入ってからであった。 1643年 に エヴァンジェリスタ?トリチェリ は、一方の端が閉じたガラス管に 水銀 を?たし、このガラス管を立てると、水銀柱は約76cmとなり、それより上の部分が?空になっていることを?見した。 ^{[注? 3]} また、 オット??フォン?ゲ?リケ は 1657年 、ブロンズ製の半球を2つ合わせて中空の球にして、?部の空?を?いて?空にするという??を行った。この2つの半球はぴったりとくっ付き、16頭の馬で引っ張ることでようやく外すことができた。この??は マクデブルクの半球 として知られている。これらは?空の?見であると同時に、 ?? の?見でもあった。何も存在しない以上、その空間が何らかの吸引力を?揮するわけがなく、周?の空間からの?力を想定しないわけにはいかないからである。

?空が一般化していくのは18世紀に入ってからである。この時期??な ?空ポンプ が開?され、蒸?機?や、排水ポンプ、紡績機械などの動力に利用されるようになった。19世紀に入ると白熱電球や、 ?空管 などが開?されることで一般に「?空」という名?が?がっていくことになる。またそれらの開?、製造のためのより高性能の?空ポンプの開?が進むようになった。

20世紀に入ると電球、?空管の進?や、?空中における技術の?展により、 粒子加速器 や 電子?微鏡 など?空を利用した機器の?達、また 電子 や イオン に?係する新たな知識、技術が生まれていった。一方で食品や?鋼などの産業に?空が利用されるようになると?空ポンプや ?空計 、 ?空部品 などが産業化され?展していった。日常生活では、空?を完全に?いた ?空パック や?空による氷の昇華を利用した フリ?ズドライ という手法が?く?用化された。

特に1953年に B-Aゲ?ジ が開?されると今まで測定できなかった超高?空が測定可能となり、超高?空に??した?空ポンプや?空部品が?展していくことになる。

現代における代表的?空利用は 電子工業 用途である。この分野の?展により?空?連産業は急速に?展し、今では多くの産業を支える基盤産業として貢?している。

?空の?現方法 [ 編集 ]

大?中にある容器?を?空にするために各種の ?空ポンプ を使用する。

10 ⁻¹ Pa程度の?空は、 ロ?タリ?ポンプ で手?に得ることができる。 ?空デシケ?タ? 等ではこの程度の?空で十分である。

スパッタ 等の?空成膜?置ではプラズマ?生時に他の??が?留するのを防ぐため、10 ⁻⁵ Pa程度の?空度が求められる。このような場合、 ?空用材料 で製作された ?空チャンバ? と銅ガスケットを用い、 タ?ボ分子ポンプ (TMP)で排?することにより達成できる。

分子線エピタキシ?(MBE) や 電子?微鏡 、 粒子加速器 等、10 ⁻⁹ Pa台の?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。?空チャンバ?をタ?ボ分子ポンプ (TMP) で高?空?態にした後、?空チャンバ?全?を加熱（ ベ?キング ）して、チャンバ?壁に付着した??分子を排除する必要がある。排?は大排?量のタ?ボ分子ポンプ (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?ポンプ が用いられる。MBE用の?空チャンバ?では、チャンバ??で蒸着を行うため、チャンバ?の壁面に液?窒素シュラウドを設け、壁面を冷却することで?部に?留した??分子を固着させ、?空度を上げる手法も用いられている。容積 V を排?速度 S のポンプで排?したときの?力 p = p ₀ exp(− St / V ) となる。ただし t = 0 で p = p ₀ とする。また、コンダクタンス C ₁ のパイプの長さを m 倍にすると、コンダクタンスは C ₁ / m になる。

?空の計測方法 [ 編集 ]

?空の度合いの計測は、 空間 中に存在する原子?分子によって ??分子運動論 的に生じる ?力 を測定する方法による。 ?空を初めて測定したのは1643年、 トリチェリ が?明した 水銀??計 による。現在までに多くの?空計が?明されてきたが、現在では 大?? からおよそ16桁に及ぶ?い範?を測定することができるようになっている。これらの?空計は測定原理から大きく2つに分けることができる。一つは測定領域に接している固?表面に?して??分子が及ぼす力を直接計る絶??計測型、もう一つは??分子の密度に依存して?化する物理量（熱や電流）を測定し?力に換算する分子密度型である。

?空?での??の性質 [ 編集 ]

??の分子密度 [ 編集 ]

??は非常に?多くの分子からなっており、0 ℃、1??の空?であれば1 cm ³ 中に含まれる??分子の?は2.69×10 ¹⁹ 個である。?度が一定なら?位?積?たりの??分子の?は?力に比例する。一般的に ?止衛星 軌道程度の高度（100,000 km）であれば空?はまったく無いと思われがちであるが、この高度でも?力は存在（10 ⁻¹³ Pa程度）し1 cm ³ の空間に?十個の??分子が存在している。

マクスウェルの速度分布 [ 編集 ]

??中で多くの分子がばらばらの速度で無秩序に飛び回っている。これを統計的に見ると定常?態ではある一定の分布を示す。これは マクスウェルの速度分布則 と呼ばれる。

平均自由行程 [ 編集 ]

?空中では1??の??と違い?力領域により??の振る舞いが?わってくる。??とは1??中では連?流?として扱われるが、?密には勝手に飛び回る分子の集まりである。分子は小さいながらも大きさを持っているので、移動中に他分子と衝突する。衝突することで方向と速度を?え、再び別の分子に衝突する。この衝突から衝突までの距離の平均を平均自由行程（mean free path）という。

平均自由行程は??分子の直?を D 、分子密度を n とすると D と n に比例する。

目安として空?の平均自由行程は室?、10 ⁻¹ Pa、で約5 cmである。

衝突頻度 [ 編集 ]

容器の表面に衝突する??分子の?はそこに存在する??分子の密度と分子の熱運動の平均速度に比例する。これらは分子流領域での?空排?や 薄膜 形成時には非常に重要な?値となる。

?力 [ 編集 ]

??が存在すると??分子同士が運動により動き回り、それらの衝突により?たった?象に??分子の重さに?じた衝?が加わる。??中に壁があっても同?であり、??分子は常に壁に衝突し、その衝?により壁に力が加わる。その力を?位面積で割った力が ?力 である。

JISにおいては 「空間?のある点を含む?想の微小平面を?側の方向から通過する分子によって、?位面積?たり、?位時間に輸送される運動量の面に垂直な成分の?和。空間?に定常的な??の流れがあるときは、流れの方向に?して面の傾きを規定する。」 となっている。

?空では?力の?位は?際?位系で Pa （パスカル）で表されるが、トリチェリによる?空の?見の功績にちなむ Torr （トル）は昔から使用されており、古い書籍や昔ながらの?空技術者は今でも使用している。

?空排?された ?空チャンバ? は?側の分子量が減って外側からの力が大きくなるため常に外側から差分の?力を受けることになる。ほとんどの?空?置では100 Pa以下に排?されるため、事?上1??の力を受けることになる。

コンダクタンス [ 編集 ]

?空?置では?空チャンバ?と?空ポンプを?ぐ配管が必要になる。この配管は?空排?する場合には抵抗として排?速度を?らせる要因となる。この配管による抵抗の逆?を コンダクタンス という。したがって、コンダクタンスは??の流れやすさを表す。

コンダクタンスは?力の違う容器（それぞれの?力を ${\displaystyle P_{1}}$、 ${\displaystyle P_{2}}$とする。）を?ぐ配管があった場合そのつながれた配管中には流れ ${\displaystyle Q}$が生じる。この場合の配管のコンダクタンスは

${\displaystyle C={\frac {Q}{P_{1}-P_{2}}}}$

で表される。

??の流れ [ 編集 ]

??の流れには ?流 、 粘性流 、 分子流 がある。大??態で突然の流れが生じた場合などは?流が生じ、部分的に渦や振動が?生するなどして埃や粉塵が舞い上がる要因となる。そのため、?空チャンバ?を排?する場合は?空バルブをゆっくり開き排?速度を調整することで?流を抑えることができる。??の?力が高い領域では??の流れにおいて??分子同士の衝突が大半を占めるため粘性により流れる。これに?し?力が下がり、??分子が、??分子同士より?空チャンバ?の壁面との衝突が多くなっていく領域を分子流という。

粘性流と分子流 [ 編集 ]

平均自由行程は分子密度に反比例する。分子密度はそのまま?力に比例?係なので?力に反比例し、?力が低下すると平均自由行程が長くなる。この平均自由行程λを?空?置の代表的な長さ L で割った値 Kn を クヌ?セン? という。

${\displaystyle Kn=\lambda /L}$

Kn が0.3以上、平均自由行程が?空空間の壁（例えば?空チャンバの壁）の間の距離の30倍より大きくなると分子同士の衝突ではなく殆どが分子と壁の衝突になる。このような領域を分子流領域（molecular flow region）という。

これに?して分子同士が十分衝突している領域（クヌ?セン?＜0.01）を粘性流領域（viscous flow region）という。粘性流領域の??は連?流?として考えることが出?る。

クヌ?セン?が0.01～0.3の間の場合は中間流領域（intermediate flow region）といい、分子流の性質と粘性流の性質が複?に絡み合った振る舞いを示す。

沸点 [ 編集 ]

液? はある?度になると液?の表面から ?化 （蒸?）が始まる。同時に液?の?部にも上記の?泡ができるようになり、 沸騰 が起こる。この沸騰が起こる?度を 沸点 という。沸点は外?を大きくすると上昇し、外?が下がると下降する。通常水は1??、100 ℃で沸騰する。しかし富士山の山頂では??が低いため低い?度（約88 ℃）で沸騰することがよく知られている。

水の沸点はおよそ300 m上るごとに1 ℃下がる。このような現象は水だけに限らずアルコ?ルや石油など全てのものに?てはまる。これは、沸騰が「液?分子が持つ運動エネルギ?が周?の?力（分子衝突のエネルギ?）を上回って液?分子が空間中に放出される現象」であるためである。このときの分子の運動エネルギ?は?力として?測されるが、ある?度において沸騰が始まる（「液?分子の運動エネルギ?＝周?の?力」となる）?力を 蒸?? といい、物質により固有の値を取る。

一方、固?から液?に?わる 融点 は?化ほど周??力の影響を受けない。

光の透過?吸? [ 編集 ]

大?は 紫外線 、 可視光線 、 赤外線 に?して透明だが、およそ185 nm以下の波長に?しては不透明になる。これは空?中の 酸素 分子が波長240 nm以下の紫外線を吸?することや、窒素分子が185 nm以下の紫外線を吸?することによる。よって紫外線の??などを行う場合には空?を排?した?空チャンバ?（10 ⁻³ Pa以下）で行わなければならない。同?にガラスも紫外線に?して透明ではないため、紫外線を利用する??を行う場合は石英ガラスのように紫外線に?して透明度が高い材料を使用するなど、器材についても十分に?討しなければならない。

音の?播 [ 編集 ]

太鼓を叩くと太鼓の皮がへこみ、その表面近傍の?力が低くなる（??分子の分布が疎になる）。しかし次の瞬間には皮が跳ね返ってくるため、皮の表面近傍の空?が押されて?力が高くなる（??分子の分布が密になる）。これを繰り返し?力の?動が?播すると 音 となる。?空中では??分子の密度が低いため音源の振動を十分に?えられなくなる。分子流領域にいたっては振動による??分子の分布の粗密がほぼ生じないため音は?生しない。粘性流領域であれば音は?播するが、??分子の平均自由行程と音波の波長との兼ね合いで決まる。

熱?導 [ 編集 ]

物質?に?度差があると高?から低?側へ熱が移動する。このとき熱だけが移動する場合を 熱?導 という。熱の移動は?度の勾配の逆方向に流れる。??は液?、固?に比べて分子密度が小さいため熱容量も低く熱?導率も低くなっている。熱は分子の運動エネルギ?であるため分子同士がお互いにエネルギ?を交換し合うことで熱が?導するが、?空の場合は??分子同士の衝突頻度が少なくなるため熱?導の?率は極めて?くなる。

平均自由行程が高?の部分と、低?の部分との間の距離よりも十分に長くなると高?の分子は直接低?の部分に到達する。分子の密度は?力に比例するため熱?導率は??の?力に比例する。この比例?係を利用したのが ピラニ?空計 である。

電??導 [ 編集 ]

空?は通常不導?であるが、空?中の電極間に直流電?を印加すると、自然に?生した電子が加速されて??分子を電離し、導電性を?びるようになる。このときに電極間にわずかに電流が流れる。さらに電極間の電?を高めると、ある電?で絶?破?がおき、火花放電が起こる。これは自然界で雷が起きる原理と同じである。この火花放電が起こる電?を火花電?といい、 パッシェンの法則 に?う。電極間距離および??の積と火花電?との?係を?示したものをパッシェン曲線といい、??の種類にもよるが電極間距離および??の積が?ね10 ^?2 -10 ^?1 [Torr?m]の範?で火花電?が最低値を取り、さらにそれ以下の範?では火花電?が急激に高くなる。このことから、ある電極間距離に?して??との積がこの範?以下となるような高?空にすることによって高い絶?性が得られることがわかる。これを?用した機器が ?空遮?器 である。

放電現象 [ 編集 ]

ある程度の?空中（1.3 kPa程度）に電極を置き、その電極間に直流の高電?を加えると?光する。これを グロ?放電 という。

この放電をガラス管中で起こすと管長?部で?光?態が異なる。陰極から陽極に向かって陰極暗部、負グロ?、ファラデ?暗部、陽光柱が?察される。負グロ?、陽光柱は??の種類で異なり、窒素では負グロ?が?色に陽光柱は赤色になる。

また、陰極近傍では電位分布は負グロ?に向かってほぼ直線?に上昇する。したがってこの陰極付近では 電界 が高く、?多くのエネルギ?を持つ電子と??分子との衝突によって盛んに正イオンが作られる。正イオンは加速されて陰極金?に衝突し、正イオンとの運動量の交換により陰極電子金?が空間に放出される。これを スパッタ 作用といいその結果放出された陰極電子金?物質は陰極近?のガラス管の?壁に付着するようになる。 このスパッタ作用は現在では陰極物質を?象物に 蒸着 し 薄膜 を形成するための主要な手段になっている。

また陽光柱の部分は電子密度と正イオン密度がほぼ等しい、いわゆる プラズマ ?態になる。この陽光柱プラズマは ?光? 、 ガスレ?ザ?管 、 ネオン管 などに利用されている。

摩擦 [ 編集 ]

接?している二つの物?が相互に運動しているとき、あるいは運動しようとするときに、その接?面において運動の反?方向に力が加わる。この力を 摩擦力 という。摩擦力は摩擦面に?く垂直荷重に比例するが、この摩擦力を垂直荷重で除した値が摩擦係?として定義される。大?中での摩擦係?はおよそ1以下になるが、高?空中では金?同士の摩擦係?として100近い?値になることが知られている。この原因として金?表面には大?中であれば酸化物や??な吸着物によって覆われておりそれらが潤滑?になるが、高?空中ではそれらが取り除かれるためであると考えられている。

また金?同士の摩擦においては少量の酸素によって摩擦係?は低下する。

?空中で物を?動させる要求は、 半導? 製造?置を主とする ?空?置 や、宇宙用機器において多くあるが、大?中で?動する場合に比べて摩擦係?が大きくなる。

機械部品を?動させる場合には大?中では 潤滑油 などで?動させるが、?空中では油も蒸?してしまうため潤滑油を使用することができない。そこで宇宙用機器では固?で潤滑できる 固?潤滑? が?く使用される。

?空の利用 [ 編集 ]

?空はそれ自?では?値が無いが、?空における特性を利用することで多くの?値を生み出すことが出?る。?空の利用が盛んになったのは18世紀以降で20世紀、特に1960年代以降は産業の基盤技術として?く利用されるようになった。

主に?空の??性、物理特性を利用したもの [ 編集 ]

?力の低下（?力差）を利用したもの [ 編集 ]

• ?空チャック
• 排水ポンプ
• 注入?置
• フリ?ズドライ

??の分子密度を利用したもの [ 編集 ]

• 白熱電球
• ?空溶解
• ?空蒸留乾燥
• ?空?結
• ?空パック
• ?空包?
• ?空包?機

??分子の平均自由行程が長くなることを利用したもの [ 編集 ]

• ジャ? ? 魔法? ? ?空?熱材
• 電子管
• 電子?微鏡
• 加速器
• 蒸着
• ?光?
• レ?ザ?
• 核融合
• スパッタ

分子の入射頻度を減少させ、??な面を長時間持?させるもの [ 編集 ]

• 電子源
• 人工格子

液?を利用したもの [ 編集 ]

• サイフォン
• 液柱型水銀??計

主に?空の化?特性を利用したもの [ 編集 ]

主に半導?プロセスで利用されていて、電子やイオン、プラズマや光による化?反?を利用している。

プラズマ反?の利用による成膜?改質 [ 編集 ]

• 材料合成
• 表面改質

高速イオン注入による組成?更 [ 編集 ]

• イオン注入
• 表面の局所合金化

ガス分子の分解析出による成膜 [ 編集 ]

• 減?CVD
• プラズマCVD
• ガス源MBE
• 人工格子

ガスと表面との反?による成膜?形成 [ 編集 ]

• 化成蒸着
• 化成スパッタリング
• イオンプレ?ティング
• 硬質皮膜形成

ガスの反?による表面の除去 [ 編集 ]

• エッチング

脚注 [ 編集 ]

注? [ 編集 ]

出典 [ 編集 ]

?考文? [ 編集 ]

この節の 加筆 が望まれています。

?連項目 [ 編集 ]

外部リンク [ 編集 ]

• ?空の世界 - 科?映像館
• 『 ?空 』 - コトバンク