СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ КВАНТОВОЙ НЕЛОКАЛЬНОСТИ ЧАСТИЦ, СОВЕРШАЮЩИХ ИНФИНИТНОЕ ДВИЖЕНИЕ
METHOD OF MEASURING QUANTUM NONLOCALITY ENERGY OF PARTICLES IN INFINITE MOTION

Изобретение относится к способам измерения энергии квантовой нелокальности частиц, совершающих инфинитное (неограниченное хотя бы в одном направлении) движение. Ранее этот вид энергии не был известен, однако использование этой энергии только в устройствах для поглощения тепла позволяет создать холодильные элементы с эффективностью до 60% [1]. В связи с этим является весьма актуальным измерение энергии квантовой нелокальности частиц, совершающих инфинитное движение.
Для измерения энергии квантовой нелокальности частиц, совершающих инфинитное движение (это могут быть электроны, протоны, нейтроны, альфа-частицы и другие квантовые частицы), используются в каждом конкретном случае хорошо известные методы измерения энергии квантовых частиц, например масс-спектрометрия [2], калориметрия [3] и др. Эти методы измерений являются прототипами предлагаемого способа измерений.
Недостатками известных прототипов методов измерения энергии квантовых частиц, совершающих инфинитное движение, является то, что если методы, позволяют измерять одну и ту же же энергию с погрешностью, свойственной каждому методу (из них выбирается тот, который подходит), то и нет принципиальной необходимости измерять ее как минимум двумя различными методами. Такой подход неприемлем для измерения энергии инфинитного движения квантовых частиц, поскольку полная энергия частиц состоит из двух разных видов энергии: классического поступательного движения частиц с некоторым средним значением импульса и чисто квантовой энергии движения. Если бы такие измерения проведены были ранее, а именно была измерена энергия частиц, совершающих инфинитное движение в свободном пространстве, например методом калориметрии, и измерена энергия тех же частиц, например методом масс-спектрометрии, то разница этих энергий позволила бы ранее открыть и измерить энергию квантовой нелокальности движения. Полная энергия квантовых частиц, двигающихся в стационарном внешнем поле, является инвариантом движения и имеет вид [4, 5]:
k
k
где E - средняя кинетическая энергия частицы, U - потенциальная энергия внешнего поля, Δε- средняя энергия квантовой нелокальности частиц,  - пространственные координаты. В свободном пространстве  и величины E и Δε остаются постоянными.
Цель изобретения - измерение энергии квантовой нелокальности частиц Δε, совершающих инфинитное движение.
При измерениях Δε во внешнем поле нужно дополнительно знать его величину и пространственное распределение. В связи с этим такие измерения наиболее удобно проводить в свободном пространстве, когда потенциальная энергия равна нулю. Это достигается тем, что для каждого рода частиц измеряется их полная энергия путем полного торможения в среде с заданными свойствами и измерения калорического эффекта выделения тепла, например, с помощью микротермопар. Далее измеряется кинетическая энергия этих частиц. Если они несут заряд и известна их масса, то измерения проводятся методом масс-спектрометрии (в поперечном магнитном поле измеряется радиус кривизны траектории частиц), если частицы не заряжены, то измеряется импульс отдачи упругого рассеяния на мишени из соответствующего материала, расположенной на крутильных весах [6]. Во всех случаях должен быть счетчик потока числа частиц в единицу времени, подлежащих измерению. Если частицы заряжены, то измеряется величина их тока, если токи очень малы, то используют, например, гальванометр. Если у частиц отсутствует заряд, например у нейтронов, то поток частиц измеряется радиометрами.
Первый известный вариант рассмотрения способа на примере туннелирования электронов [4]
При туннелировании электронов из катода через треугольный барьер при автоэлектронной эмиссии электроны уносят из катода энергию Ферми - энергию квантовой нелокальности движения, добирают кинетическую энергию во внешнем поле между электродами и доставляют ее на анод. Если энергия Ферми электронов в катоде превышает энергию Ферми в аноде, то возможны дополнительное тепловыделение по сравнению с классическим в аноде и недогрев анода при обратном соотношении энергий Ферми [1]. Это аналог эффекта Пельтье, но только с одним принципиальным отличием: туннелирующие электроны уносят из катода энергию Ферми и переносят ее в пространстве между электродами. Ранее этот эффект не наблюдался в силу специфики прежних экспериментов, проводимых при больших значения межэлектродных напряжений, когда эффект исчезающее мал (см. ниже формулу (2)).
Относительное тепловыделение в аноде в зависимости от приложенного напряжения будет изменяться по закону:
1
2
где Q=IU, U - приложенное напряжение, I - ток в цепи,  - энергии Ферми катода и анода. Из формулы (1) следует, что возможны перегрев или недогрев анода в зависимости от соотношения энергий Ферми электродов, и только в частном случае одинаковых электродов тепловыделение будет классическим. В общем случае в формуле (1) две неизвестных величины  и для измерения одной из них нужен электрод сравнения, например анод. Если материалы электродов одинаковы, то по тепловому эффекту можно определить кинетическую энергию электронов, приходящих на анод, с учетом начальных тепловых скоростей [5]. Поскольку энергия Ферми электродов может быть измерена и другими методами [7], то рассматриваемый пример выполнения может толковаться как еще один способ измерения энергии Ферми. Для обозначения режима автоэлектронной эмиссии (треугольный барьер) приложенное напряжение U должно превышать наибольшую из работ выхода электрона катода и анода eU>mаx(еφ,еφ). Однако приложенное напряжение не должно быть слишком большим, иначе эффект будет исчезающее малым.
Второй вариант рассмотрения способа на примере альфа-распада
При альфа-распаде заряженные частицы помимо кинетической энергии должны уносить энергию квантовой нелокальности движения, которую можно измерить как разность между полной энергией частиц, термолизуемых в среде с заданными свойствами, и кинетической энергией налетающих частиц. Наличие заряда позволяет измерить величину тока и кинетическую энергию частиц в поперечном магнитном поле с помощью масс-спектрометрии. Таким образом, для альфа-источников, если известна кинетическая энергия вылетающих частиц и измерено тепловыделение в среде с заданными свойствами, то тепла должно выделяться несколько больше за счет дополнительной термолизации энергии квантовой нелокальности движения. Действительно, такой эффект имеет место [8], однако прямых измерений его не проведено. Кинетическая энергия альфа-частиц измеряется в масс-спектрометрах с высокой точностью и для доказательства их туннельного происхождения были проведены сравнения с теоретическими формулами туннелирования. Оказалось, что имеет место дефицит кинетической энергии на величину Δε для получения согласия с теорией. По существу для Δε была придумана эмпирическая формула [8]:
210
k
где Z - число зарядов дочернего ядра. Например, при α-распаде Po (Z=84-2) с кинетической энергией частиц 5,3 МэВ эмпирическая поправка к Е для этого случая составляет 131,6 кэВ. Относительный «избыточный» нагрев мишени должен составлять 3,3%, что измеримо современными приборами. Естественная энергетическая ширина линии излучения альфа-частиц, измеряемая в масс-спектрометре, составляет несколько милливольт.
Калориметрический метод измерения является менее точным по сравнению с масс-спектрометрией.
Для того чтобы повысить точность измерения энергии квантовой нелокальности движения, предлагается дифференциальный метод измерения полной энергии частиц. На пути альфа-частиц на некотором протяжении включают электрическое постоянное поле с заданной разностью потенциалов, например тормозящей. Тогда выражение для полной энергии частицы в соответствии с формулой (1) будет:
k
где q - заряд частицы, V- разность потенциалов, которую проходит частица, Е - кинетическая энергия частицы. Далее проводят измерение энергии частиц калориметрическим методом. Изменяют знак электрического поля, тогда выражение для полной энергии частицы будет иметь вид:
и проводят далее измерение полной энергии частицы калориметрическим методом. Тогда разность двух измерений должна равняться:
При некотором уменьшении приложенного напряжения эта разность не будет различаться. Величина такого напряжения и будет характеризовать погрешность метода. Полусумма измеренных значений по формулам (5) и (6) будет давать величину полной энергии для определения в последующем энергии квантовой нелокальности движения частиц.
При конструировании и эксплуатации прецизионных альфа-источников тепла необходимо учитывать эффект, связанный с тем, что при альфа-распаде выделяется тепловой энергии несколько больше, чем можно ожидать, если исходить из экспериментально измеренной с помощью масс-спектрометров кинетической энергии частиц (как правило, с большой точностью).
Энергия квантовой нелокальности движения частиц, совершающих инфинитное движение, как упоминалось выше, может быть использована при создании устройств [1], изготовленных с применением нанотехнологий с эффективными холодильными элементами, экономящими электрическую энергию, которые востребованы в каждой квартире и не только.
Список использованных источников
1. Неволин В.К. Устройство для выделения или поглощения тепла. Заявка на патент РФ №2008126736 от 28.08.2008 г.
2. Сысоев А.А., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию. М., 1963.
3. Кальве Э., Прат А. Микрокалориметрия. Пер. с франц. М., 1963.
4. Неволин В.К. Тепловой эффект на аноде при автоэлектронной эмиссии. Письма в ЖТФ. 2006. Т.32. В.23. С.66-72.
5. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. Изд. 2-е. М.: Техносфера. 2006. - 160 с.
6. Шокин П.Ф. Гравиметрия. М., 1960.
7. Каганов М.И., Филатов А.П. Поверхность Ферми. М., 1969.
8. Давыдов А.С. Теория атомного ядра. М.: ФМЛ. 1958. С.130.