Устройство для обнаружения термодинамического возмущения состояния микрочастиц в вакууме

Изобретение относится к области термодинамики применительно к поведению микрочастиц вещества в тепловом поле и может быть использовано для установления природы их хаотического движения в вакууме. Заявлено устройство для обнаружения термодинамического возмущения состояния микрочастиц в вакууме, содержащее вакуумную колбу с микрочастицами вещества и микроскопом с устройством подсветки, отличающееся тем, что на дне вакуумной колбы установлен нагреватель с контролируемой температурой нагревания, на котором в исходном состоянии (до повышения температуры нагревателя) размещены микрочастицы вещества. Технический результат - упрощение процедуры наблюдения стохастической динамики микрочастиц в вакууме при действии на них теплового поля с температурой выше некоторого порогового уровня при наличии поля гравитации. 1 ил.

 

Изобретение относится к области термодинамики применительно к поведению микрочастиц вещества в тепловом поле и может быть использовано для установления природы их хаотического движения в вакууме.

Известно открытое Р.Броуном в 1827 году и обоснованное в 1905-1906 годах А.Эйнштейном и М.Смолуховским [1] беспорядочное движение микрочастиц (цветочной пыльцы в воде в опытах Броуна) в тепловом поле, возникающее от неуравновешенного воздействия на эти микрочастицы движущихся молекул среды, в которую помещены эти микрочастицы. Такое движение названо броуновским движением. Это движение становится более интенсивным при повышении температуры среды и не зависит от сортности вещества. Кроме того, интенсивность этого движения микрочастиц возрастает с уменьшением массы микрочастиц. Среднее значение перемещений каждой отдельно взятой микрочастицы (математическое ожидание) за достаточно большой промежуток времени равно нулю, а дисперсия растет линейно со временем наблюдения.

Долгое время считалось, что в отсутствие внешней среды, стохастическое движение микрочастиц, не подвергающихся воздействию сталкивающихся с микрочастицами молекул среды, невозможно, например, при помещении микрочастиц в вакуумный сосуд, находящийся в состоянии невесомости (чтобы исключить действие гравитационных внешних сил).

Однако такой взгляд не объясняет способности равномерного распределения молекул газа в замкнутом сосуде по всему его объему, если газ находится в состоянии термодинамического равновесия. Такое распределение газа доказывается действием закона Паскаля, согласно которому давление газа на стенки сосуда оказывается везде одинаковым. С ростом температуры газа увеличивается и давление его на стенки сосуда (изохорический процесс). И при этом встает вопрос о природе возникновения движения молекул газа в функции его температуры при практически любой сколь угодно малой концентрации газа в сосуде, когда взаимными соударениями молекул газа можно пренебречь, а также вопрос о том, почему движения молекул носят стохастический характер, при котором вектор-импульс, движущий данную молекулу, хаотически изменяет во времени свою величину и направление, а само движение возникает спонтанно действием сил, не имеющих точки опоры, то есть движение происходит под действием «внутренних сил» в кажущемся противоречии с законами сохранения импульса и момента импульса. Иначе говоря, молекулы газа (а также жидкого и твердого вещества) в тепловом поле, то есть «нагретые» до какой-то ненулевой по шкале Кельвина температуры, обнаруживают способность к хаотическому самодвижению. Мера этого движения и определяет температуру вещества. Кинетическая энергия движения молекул вещества и температура последнего одинаково и эквивалентно характеризуют термодинамическое состояние вещества. В этом смысле можно говорить, что преобразование тепловой энергии в кинетическую энергию движущихся молекул вещества, и наоборот, происходит с коэффициентом полезного действия, равным единице для молекул вещества в нарушение Второго начала термодинамики.

В данном рассмотрении молекулы газа можно представлять как предельное состояние измельчения указанных выше микрочастиц вещества. Поэтому можно ожидать, что такие микрочастицы вещества будут обнаруживать в тепловом поле аналогичные свойства хаотического движения в вакууме и состоянии невесомости, когда на эти микрочастицы не действуют внешние силы. Сходство будет тем большим, чем меньшими будут массы этих микрочастиц, получаемых средствами нанотехнологии.

Известен прибор для обнаружения «броуновского» движения ферромикрочастиц в вакууме и в состоянии невесомости [2], который включает прозрачную вакуумную колбу с помещенным в нее управляемым по положению предметным столиком, на котором размещена группа микрочастиц, направленный на нее микроскоп с устройством подсветки, совмещенный со съемочной камерой, а весь прибор установлен на космическом аппарате, то есть в состояние невесомости, причем наблюдение «броуновского» движения в группе микрочастиц осуществляется путем удаления предметного столика с помощью электромеханического привода.

Недостатком известного устройства (прототипа) является сложность проведения эксперимента, связанная с необходимостью размещения прибора на космическом аппарате для реализации состояния невесомости.

Заявляемое техническое решение свободно от этого недостатка, так как позволяет проводить наблюдение в земных лабораторных условиях.

Целью изобретения является упрощение процедуры наблюдения стохастической динамики микрочастиц в вакууме при действии на них теплового поля с температурой выше некоторого порогового уровня при наличии поля гравитации.

Указанная цель достигается в заявляемом устройстве для обнаружения термодинамического возмущения состояния микрочастиц в вакууме, содержащем вакуумную колбу с микрочастицами вещества и микроскопом с устройством подсветки, отличающемся тем, что на дне вакуумной колбы установлен нагреватель с контролируемой температурой нагревания, на котором в исходном состоянии (до повышения температуры нагревателя) размещены микрочастицы вещества.

Достижение указанной цели изобретения объясняется осуществлением эксперимента в земных лабораторных условиях, при которых действие сил гравитации на микрочастицы вещества компенсируется стохастическими силами, образующимися в процессе термодинамического преобразования тепловой энергии в кинетическую при температуре микрочастиц вещества (нагревателя), превышающей некоторый пороговый уровень, в результате чего микрочастицы вещества, находящиеся в тепловом контакте с нагревателем, «вскипают» (но не испаряются!) и начинают беспорядочно двигаться внутри вакуумной колбы, что наблюдается с помощью микроскопа с устройством подсветки, оптически связанными с вакуумной колбой.

Изобретение понятно из рассмотрения представленного чертежа.

Заявляемое устройство содержит:

1 - вакуумную колбу,

2 - предметный теплостойкий стол,

3 - нагреватель (электрический) с контролируемой температурой нагревания (термопарой),

4 - микроскоп с телекамерой, перестраиваемый по глубине резкости,

5 - устройство подсветки,

6 - микрочастицы вещества,

7 - усеченный конус для сбора микрочастиц вещества на предметном столе, закрепленный к корпусу вакуумной колбы 1,

8 - привод перестройки глубины наблюдения микроскопом (в слое толщиной d),

9 - регулируемый источник тока нагревателя 3,

10 - измеритель температуры нагревателя 3 (с помощью встроенной в нагреватель термопары),

11 - источник тока подсветки,

12 - спецпроцессор с монитором (персональный компьютер).

Прибор размещен на горизонтальной плоскости в условиях гравитации, так что сила F, действующая на микрочастицы вещества 6 с массами m, равна F=mg, где g - ускорение силы тяжести (на Земле g=9,81 м/с²).

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

В исходном состоянии при температуре Т₀ микрочастицы вещества массами m находятся на предметном теплостойком столе 3 и находятся в состоянии покоя, поскольку действующие в них силы, возникающие от действия теплового поля с температурой Т₀, меньше сил тяготения F. При пропускании электрического тока через спираль нагревателя 3 от регулируемого источника тока 9 температура нагревателя возрастает и контролируется измерителем температуры 10 от встроенной в нагреватель 3 термопары (не показана). При нагреве микрочастиц вещества 6 до некоторой граничной температуры Т_гр>Т₀ возникающие в микрочастицах стохастические силы F_ГР, вертикальная проекция которых направлена противоположно силам тяжести F=mg в соответствующие моменты времени, уравниваются силами тяготения, а при дальнейшем увеличении температуры Т>Т_гр микрочастицы вещества теряют свою устойчивость, как бы «вскипают» на предметном столе 2, отрываются от него и начинают хаотическое движение в тепловом поле с температурой Т>Т_гр внутри вакуумной колбы 1. Эти движущиеся микрочастицы вещества попадают в поле зрения микроскопа 4 со встроенной в него телекамерой с глубиной резкости в пространстве в слое d, подсвеченном устройством подсветки 5, включенным к источнику тока подсветки 11. Микроскоп снабжен приводом его перестройки 8 по глубине резкости, что позволяет просматривать различные участки пространства внутри вакуумной колбы 1. Имеется определенная вероятность того, что движущаяся стохастически микрочастица вещества или группа таких частиц попадут в поле зрения микроскопа 4, и их изображение будет принято встроенной в микроскоп телекамерой, и это изображение передается на видеовход спецпроцессора с монитором 12 или персонального компьютера и отображается на мониторе. Это обеспечивает визуализацию процесса «кипения» (но не испарения) микрочастиц вещества в тепловом поле с температурой Т>Т_гр. Чем меньше масса m микрочастиц, тем ниже оказывается граничная температура Т_гр. При существенном увеличении температуры нагревателя 3 микрочастицы вещества 6 полностью отрываются от предметного стола 2 (транслирующего тепло от нагревателя 3) и заполняют объем вакуумной камеры, что и позволяет осуществить их наблюдение с помощью микроскопа 4 со встроенной в него телекамерой.

После охлаждения нагревателя 3 отключением его от источника тока 9 микрочастицы, охлаждаясь, вновь падают под действием сил гравитации F на предметный стол 2 с помощью встроенного в вакуумную камеру усеченного конуса 7. Микрочастицы направляются этим конусом к предметному столу 2, и указанный выше процесс может быть вновь воспроизведен.

Информация о силе нагревающего тока от источника 9 и о температуре нагревателя, измеряемой в блоке 10, поступает на входы управления спецпроцессора 12 (персонального компьютера), что позволяет проводить метрологические операции при обнаружении факта отрыва микрочастиц 6 вещества с предметного стола 2, в частности оценить зависимость граничной температуры от массы микрочастиц Т_гр(m).

Микроскоп 4 и устройство подсветки 5 могут быть ориентированы на предметный стол 2, что позволяет более точно измерять граничную температуру Т_гр, при которой микрочастицы становятся неустойчивыми и начинают отрываться от предметного стола при увеличении температуры выше граничной («кипеть»). Причем в разные моменты времени «кипят» некоторые из микрочастиц (их число меньше половины от общего числа частиц), указанная выше проекция вектора стохастических сил для которых в эти моменты времени превосходит силу тяжести микрочастицы. Движение микрочастиц напоминает движение пузырьков на поверхности кипящей жидкости, хотя агрегатное состояние микрочастиц не изменяется - твердые микрочастицы остаются при «кипении» твердыми.

Гравитационная сила F=mg, действующая на микрочастицу массы m=4πρr³/3, где ρ - плотность вещества микрочастицы, r - радиус микрочастицы в форме шара, для окиси кремния (ρ=2,2 кг/м³) радиуса 0,1 мкм=10^-7 м, равна F=4*3,14*2,2*10³*10^-21*9,81/3=9,036*10^-17 Н. Таким образом, сила тяготения на Земле указанных микрочастиц равна около 10^-16 Н. Определим среднеквадратическое значение стохастической силы, возникающей в указанной микрочастице SiO₂ (окиси кремния) при исходной температуре Т₀=300K.

Предварительно рассмотрим теорию стохастического движения микрочастиц.

Можно связать поглощение атомами (молекулами) вещества микрочастицы из n молекул тепловой энергии Q=n αkT/2 с теплоемкостью вещества Q=cmT, где α - аргумент функции распределения вероятности ρ(α) Максвелла по скоростям атомов (молекул) [3], причем 0≤≤α<∞, k=1,38*10^-23 Дж/град - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура газа, c - удельная теплоемкость данного сорта вещества, m - масса микрочастицы, она равна m=nA/N_A (здесь A - атомная (молекулярная) масса вещества, N_A=6,02*10²³ моль^-1 - число Авогадро), в результате чего приходим к соотношению ncAT/N_A=nαkT/2 или, после сокращения на nT, - к соотношению c=αkN_A/2A. При этом кажущееся наиболее вероятное значение удельной теплоемкости c* достигается, как известно, при α=2 и равно c*=kN_A/A, что, однако, не подтверждается опытными данными, указывающими на отсутствие прямой зависимости удельной теплоемкости вещества от атомного (молекулярного) его веса A. Например, для атомов углерода в форме графита и алмаза имеются совершенно разные удельные теплоемкости этих веществ, имеющих разную физическую структуру. Следовательно, квант тепловой энергии, поглощаемый атомом (молекулой) в элементарном акте, должен зависеть от сортности вещества, его структуры, что учитывается безразмерным коэффициентом β, так что тепловой квант может быть на самом деле записан как Δq=βαkT/2, что приводит к правильному определению величины удельной теплоемкости веществ в форме выражения c*=βkN_A/A. Каждый из n атомов (молекул) вещества микрочастицы в j-й временной реализации, где t_j=jΔt, Δt - интервал поглощения-излучения тепловой энергии атомом (молекулой), поглощает тепловой квант Δq_j ⁺ и отдает обратно в тепловое поле тепловой квант Δq_j ^-, причем значения Δq_j ⁺ и Δq_j ^- не обязательно должны быть равными друг другу, а могут отличаться на величину δq_j того или иного знака, что выражает характер столкновений атомов (молекул) между собой, при которых происходит обмен кинетическими энергиями сталкивающихся атомов (молекул). Нумеруя атомы (молекулы) индексом i, можно записать следующее правило:

при котором математическое ожидание всех сдвигов микрочастицы за достаточно большой промежуток времени τ=кΔt равно нулю, что удовлетворяет законам сохранения импульса и момента импульса для физического тела, в том числе для микрочастицы, но не для отдельно взятого атома (молекулы). В элементарном акте взаимодействия n атомов (молекул) с тепловым полем соблюдается неравенство

притом тем сильнее, чем меньше число n, что как раз и указывает на большую величину элементарных скачков броуновской микрочастицы малых размеров и подтверждается опытными данными. В пределе при n=1 приходим к движению отдельного атома (молекулы) за время Δt.

Фактор хаотичности движения атомов (молекул) чрезвычайно важен в процедуре обмена тепловыми квантами между тепловым полем и атомной (молекулярной) средой вещества.

Именно благодаря этой хаотичности возникает неравенство

то есть возникает само хаотическое движение микрочастиц в вакууме, доказывающее формулируемый вывод о движении атомов (молекул) под действием внутренних сил при поглощении атомами (молекулами) определенных порций тепловой энергии Δq=βαkT/2, а также о передаче этих или несколько иных порций тепловой энергии тепловому полю с коэффициентами преобразования тепловой энергии в кинетическую и наоборот, равными единице.

Рассмотрим движение микрочастицы под действием s взаимно неколлинеарных и неуравновешенных вектор-импульсов атомов (молекул), каждый из которых имеет абсолютную величину среднеквадратической скорости (βkTN_A/A)^1/2 и угловое направление, отличающееся от направления движения микрочастицы в каждом данном элементарном скачке на величину, меньшую π/2. Если полагать, что направления (s-1) вектор-импульсов распределены равновероятно в пределах сферы, диаметральное сечение которой ортогонально выбранному направлению микрочастицы, то коэффициент неколлинеарности σ при определении суммарного вектор-импульса для всей s-группы определяется по формуле:

и полученные данные по этой формуле для ряда нечетных чисел S приведены в таблице.

S	3	5	7	9	11	13	15	17	19	31	51	101
σ	0,805	0,852	0,868	0,881	0,884	0,887	0,888	0,890	0,891	0,894	0,896	0,898

Таким образом, с учетом S>>1 имеем значение σ=0,9, и величина суммарного вектор-импульса равна mV_i=σs(βkTA/N_A)^1/2≈0,9s((βkTA/N_A)^1/2. При этом элементарный сдвиг микрочастицы в одном скачке в случайном направлении Δx_i=V_iΔt=(3σs/4πr³)·(A/ρN_A)^4/3. Тогда полная длина траектории движения микрочастицы за время наблюдения τ_к=кΔt будет равна X_к (длина ломаной линии):

хотя на самом деле за время τ_к микрочастица отклонится от своего первоначального положения на значительно меньшую величину, что связано со стохастическим изменением направления движения микрочастицы в к скачках. Можно показать, что при достаточно больших значениях к микрочастица может совпасть или существенно приблизиться к ее первоначальному положению в пространстве, то есть математическое ожидание результирующего смещения микрочастицы от ее начального положения равно нулю при больших числах к, а дисперсия растет пропорционально времени наблюдения τ_к, что согласуется с концепцией А.Эйнштейна и М.Смолуховского о поведении броуновских частиц.

Величина элементарных скачков микрочастицы Δx_i не остается постоянной по модулю в различных скачках, поскольку число молекул s=s_i в i-ых скачках не остается неизменным.

Можно показать, что для последовательности скачков микрочастицы Δx₁, Δx₂, Δx₃,… Δx_i,… Δx_к с соответствующими направлениями θ₁, θ₂, θ₃,…θ_i,…θ_к оказывается справедливым рекуррентное соотношение:

ΔZ_к ²/ΔZ_к-1 ²=1+Δx_к ²/ΔZ_к-1 ²-(2Δx_к ²/ΔZ_к-1 ²)cosθ_К-1,

где ΔZ_К и ΔZ_K-1 - отклонение микрочастицы в к-ом и к-1-ом скачках от своего начального положения соответственно, и при этом ΔZ_K<<X_K из-за изломанности траектории движения микрочастицы в интервале времени τ_к.

При этом сила F_X, действующая на микрочастицу в хаотическом движении при наличии s неуравновешенных вектор-импульсов, действующих в микрочастице (s<<n), очевидно равна F_X=βασskT(ρN_A/A)^1/3/2, и в предположении, что βασs/2≈1 (для весьма малых чисел s) и A=0,06 кг/моль (для микрочастиц из окиси кремния) при температуре Т=300K, имеет величину F_x=1,16*10^-11 Н.

Сравнивая силу тяготения F≈10^-17 Н и стохастические силы F_X≈10^-11 Н, возникающие в микрочастице в заданном тепловом поле, отмечаем различие этих сил на шесть порядков. Это означает, что микрочастицы указанного размера даже без всякого их искусственного нагревания будут хаотически двигаться во всем объеме вакуумной колбы (при Т=300K).

Если приравнять силы F≈F_x, то радиус шариков из окиси кремния можно увеличить в 100 раз, и он составит около 10 мкм, и для отрыва таких микрочастиц от предметного стола 2 следует повысить его температуру выше 300K с помощью нагревателя 3.

Интересно отметить, что измельченный порошок из твердого вещества с радиусом порошинок порядка 0,1 мкм даже в свободном от вакуума состоянии будет находиться во взаимном хаотическом перемешивании порошинок между собой, медленно расплываясь в объеме. При этом движение микрочастиц обусловлено как истинно броуновским движением в воздушной среде, так и стохастическими силами, возникающими внутри самих микрочастиц из-за хаотического движения в тепловом поле молекул микрочастицы. Такие микрочастицы ведут себя как газ с чрезвычайно большим молекулярным весом. Поэтому хранить такой сверхмелкий порошок следует в замкнутом сосуде, иначе через определенное время порошок исчезнет с первоначального места его дислокации. Это обстоятельство надо иметь в виду при изготовлении сверхмелкозернистых порошков на основе нанотехнологии. Естественно, что мелкозернистый порошок микрочастиц в замкнутом сосуде сохраняет свой вес, несмотря на распределение его по всему объему сосуда (согласно законам сохранения массы и Паскаля).

Стохастическое движение микрочастиц в вакууме дополняет объяснение броуновского движения микрочастиц в жидких и газообразных средах. Теоретическая физика должна объяснить природу прямого преобразования тепловой энергии в кинетическую в микромире, учитывая эйнштейновскую связь материи и энергии E=mc² (здесь c - скорость света в вакууме), а также механизм Хиггса [4-7] возникновения массовых частиц из безмассового вакуумного поля при нарушении калибровочной симметрии, что будет продемонстрировано на построенном в ЦЕРНе адронном коллайдере с детекторами бозонов Хиггса, а также объяснить сам принцип стохастичности движения атомов (молекул) вещества в тепловом поле.

Литература

1. А.Эйнштейн, М.Смолуховский, Броуновское движение, пер. с нем. и франц., М.-Л., 1936.

2. О.Ф.Меньших, Прибор для наблюдения броуновского движения в вакууме, Патент РФ №234513, опубл. в бюлл. №01 от 10.01.2009.

3. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц, Статистическая физика, ч.1,3 изд., М., 1976, § 22.

4. Higgs P.W., Broken symmetries and the masses of gauge bosons, «Phys. Rev. Let.», 1964, v.12, p.132.

5. С.Коулмен, Тайная симметрия: введение в теорию спонтанного нарушения симметрии и калибровочных полей, в сб.: Квантовая теория калибровочных полей, пер. с англ., М., 1977.

6. Бернстейн Дж., Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные теории, механизм Хиггса и т.п., М., 1978.

7. А.А.Славнов, Л.Д.Фаддеев, Введение в квантовую теорию калибровочных полей, 2 изд., М., 1988.

Устройство для обнаружения термодинамического возмущения состояния микрочастиц в вакууме, содержащее вакуумную колбу с микрочастицами вещества и микроскопом с устройством подсветки, отличающееся тем, что на дне вакуумной колбы установлен нагреватель с контролируемой температурой нагревания, на котором в исходном состоянии (до повышения температуры нагревателя) размещены микрочастицы вещества.