RU2327972C2 - Process of boltzmann constant calculation - Google Patents

Process of boltzmann constant calculation Download PDF

Info

Publication number
RU2327972C2
RU2327972C2 RU2006123271/28A RU2006123271A RU2327972C2 RU 2327972 C2 RU2327972 C2 RU 2327972C2 RU 2006123271/28 A RU2006123271/28 A RU 2006123271/28A RU 2006123271 A RU2006123271 A RU 2006123271A RU 2327972 C2 RU2327972 C2 RU 2327972C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
objects
phonon
constant
boltzmann constant
Prior art date
Application number
RU2006123271/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006123271A (en
Inventor
Петр Мстиславович Боголюбов (RU)
Петр Мстиславович Боголюбов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "ЛенморНИИпроект" по проектированию, изысканиям и научным исследованиям в области морского транспорта
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "ЛенморНИИпроект" по проектированию, изысканиям и научным исследованиям в области морского транспорта filed Critical Открытое акционерное общество "ЛенморНИИпроект" по проектированию, изысканиям и научным исследованиям в области морского транспорта
Priority to RU2006123271/28A priority Critical patent/RU2327972C2/en
Publication of RU2006123271A publication Critical patent/RU2006123271A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2327972C2 publication Critical patent/RU2327972C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention involves simultaneous irradiation of at least two objects of identical chemical composition and physical properties, placed into thermostatic medium. Phonon mode frequency is varied by radiation angle change, energy densities of thermal phonons in high- and low-temperature objects are equated, and the sought Boltzmann constant is calculated.
EFFECT: lower fractional error of Boltzmann constant calculation and higher manufacturability of the process.
2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для прецизионных измерений абсолютной температуры в исследованиях процесса образования внутриводного льда в морской воде, для вычисления термодинамических потенциалов, характеризующих процесс электропроводности морской воды, для уточнения значений реперных точек Международной практической температурной шкалы.The invention relates to the field of measurement technology and can be used for precision measurements of absolute temperature in studies of the process of formation of intra-sea ice in sea water, for calculating the thermodynamic potentials characterizing the process of electrical conductivity of sea water, for clarifying the values of the reference points of the International practical temperature scale.

Известен способ определения постоянной Больцмана (см. А.Кук. Метрология и фундаментальные константы. Сб. статей «Квантовая метрология и фундаментальные константы» / Под ред. Р.Н.Фаустова и В.П.Шелеста. Пер. с англ. М.: Мир, 1981. С.106), основанный на применении закона газового состояния, выраженного уравнением:A known method for determining the Boltzmann constant (see A. Cook. Metrology and fundamental constants. Collection of articles "Quantum metrology and fundamental constants" / Edited by R.N. Faustov and V.P. Shelest. Translated from English by M. : World, 1981. P.106), based on the application of the law of the gas state, expressed by the equation:

Figure 00000002
Figure 00000002

где Р, Н/м2 - давление газа внутри сосуда;where P, N / m 2 is the gas pressure inside the vessel;

V, м3 - объем газа;V, m 3 is the volume of gas;

Т, К - абсолютная температура газа;T, K - absolute gas temperature;

R, Дж·моль-1·К-1 - универсальная газовая постоянная.R, J · mol -1 · K -1 is the universal gas constant.

По измеренным значениям величин Р, V и Т вычисляют универсальную газовую постоянную R. Искомое значение постоянной Больцмана k получают делением величины R на число Авогадро N0, т.е. k=R/N0.The universal gas constant R is calculated from the measured values of P, V, and T. The sought value of the Boltzmann constant k is obtained by dividing the value of R by the Avogadro number N 0 , i.e. k = R / N 0 .

Для осуществления способа используют газовый термометр (см., например, Э.Мейсон, Т.Сперлинг. Вириальное уравнение состояния. М.: Мир, 1972. С.83), который включает в себя стеклянный сосуд с постоянным известным объемом V, заполненный газом, и ртутный манометр, соединенный с сосудом с помощью трубки. Сосуд помещают в термостат при температуре 273,16 К и манометром измеряют давление Р в нем.To implement the method, a gas thermometer is used (see, for example, E. Mason, T. Sperling. The virial equation of state. M .: Mir, 1972. P.83), which includes a glass vessel with a constant known volume V filled with gas , and a mercury pressure gauge connected to the vessel using a tube. The vessel is placed in a thermostat at a temperature of 273.16 K and the pressure P in it is measured with a manometer.

К недостаткам описанного способа следует отнести возникновение ошибок измерения за счет отклонения поведения газа, в котором производят измерения, от идеального, а также возникновения трудностей при измерении температуры в больших объемах газа.The disadvantages of the described method include the occurrence of measurement errors due to deviations in the behavior of the gas in which the measurements are made from ideal, as well as difficulties in measuring temperature in large volumes of gas.

Известен также способ определения постоянной Больцмана (см. А.Н.Матвеев. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1987. С.89), основанный на вычислении названной постоянной из уравнения Больцмана, описывающего распределение частиц (атомов, молекул) по энергиям.There is also a method of determining the Boltzmann constant (see A.N. Matveev. Molecular Physics. M: Higher School, 1987. P.89), based on the calculation of the named constant from the Boltzmann equation, which describes the energy distribution of particles (atoms, molecules) .

Для осуществления способа используют лабораторную установку, включающую в себя стеклянную кювету с исследуемой смесью, микроскоп с глубиной резкости 10-6 м, аналитические весы для взвешивания частиц и пикнометр для определения плотности жидкости. Измерения производят в слое толщиной 10-4 м.To implement the method, a laboratory setup is used, which includes a glass cuvette with the test mixture, a microscope with a depth of field of 10 -6 m, an analytical balance for weighing particles, and a pycnometer for determining the density of a liquid. Measurements are carried out in a layer with a thickness of 10 -4 m.

Для экспериментального определения постоянной Больцмана по этому способу в сосуд с жидкостью помещают шарики (частицы) диаметром, приблизительно равным 10-6 м, изготовленные из смолы гуммигутового дерева, измеряют независимыми способами: общее количество частиц А в системе, плотность частиц ρ, кг/м3; плотность жидкости ρж, причем жидкость выбирают такой, чтобы ее плотность была несколько меньшей плотности частиц; объем ν, м3, занимаемый всеми частицами, находящимися на высоте Н в жидкости; количество частиц ni, находящихся на высоте Н и имеющих энергию mi·g·H,To experimentally determine the Boltzmann constant by this method, balls (particles) with a diameter of approximately 10 -6 m made of gummigut tree resin are placed in a vessel with a liquid, measured by independent methods: total number of particles A in the system, particle density ρ, kg / m 3 ; the density of the liquid ρ W , and the liquid is chosen such that its density is slightly lower than the density of the particles; volume ν, m 3 occupied by all particles located at a height of H in the liquid; the number of particles n i located at a height of H and having energy m i · g · H,

где mi - масса частиц, находящихся на высоте Н;where m i is the mass of particles located at a height of H;

g - ускорение силы тяжести,g is the acceleration of gravity,

абсолютную температуру Т, K исследуемой смеси, и по формуле, представляющей собой распределение Больцманаabsolute temperature T, K of the test mixture, and according to the formula representing the Boltzmann distribution

Figure 00000003
Figure 00000003

где ν·(ρ-ρж)=mi,where ν · (ρ-ρ W ) = m i ,

k=1,380662(44)·10-23 Дж·К - постоянная Больцмана;k = 1,380662 (44) · 10 -23 J · K - Boltzmann constant;

k Т, Дж·K-1 - энергия теплового движения частиц,k T, J · K -1 - energy of thermal motion of particles,

вычисляют искомую величину k.the desired value of k is calculated.

К недостаткам описанного способа следует отнести трудоемкость процесса счета частиц, осуществляемого визуально с помощью микроскопа, а также низкую точность определения высоты слоя, в котором подсчитывают частицы (относительная погрешность порядка 10-2), вносящую преобладающую составляющую в погрешность измерения.The disadvantages of the described method include the complexity of the particle counting process, carried out visually using a microscope, as well as the low accuracy of determining the height of the layer in which the particles are counted (relative error of the order of 10 -2 ), introducing the predominant component into the measurement error.

Известен способ определения постоянной Больцмана (см. Т.Куин. Температура. М.: Мир, 1985. С.27), основанный на применении закона Стефана-Больцмана, описывающего зависимость полной энергии теплового излучения Е(Т), испускаемого черным телом, от его температуры Т, математически выраженного как:There is a method of determining the Boltzmann constant (see T. Quin. Temperature. M .: Mir, 1985. P.27), based on the application of the Stefan-Boltzmann law, which describes the dependence of the total energy of thermal radiation E (T) emitted by a black body on its temperature T, mathematically expressed as:

Figure 00000004
Figure 00000004

где E(Т), Дж - полная энергия теплового излучения, испускаемого черным телом;where E (T), J is the total energy of thermal radiation emitted by the black body;

с, м/с - скорость света;s, m / s - speed of light;

h=6,626176 (38)·10-34 - постоянная Планка;h = 6.626176 (38) · 10 -34 - Planck's constant;

T, K - абсолютная температура излучающего тела и связывающего названные физические величины с постоянной Больцмана.T, K is the absolute temperature of the radiating body and connecting the named physical quantities with the Boltzmann constant.

Анализ отобранной в процессе поиска информации показал, что указанный выше аналог является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу и может быть принят за его прототип.Analysis of the information selected in the search process showed that the above analogue is the closest in technical essence and the achieved result to the claimed method and can be taken for its prototype.

Для осуществления способа используют устройство, включающее в себя источник и приемник теплового излучения, устройство питания источника излучения, амперметр и вольтметр для измерения тока и напряжения питания источника излучения, фокусирующую линзу, измеритель фототока приемника излучения, проградуированный в градусах Кельвина.To implement the method, a device is used that includes a source and a receiver of thermal radiation, a device for supplying a radiation source, an ammeter and a voltmeter for measuring the current and voltage of the source of radiation, a focusing lens, a photocurrent meter of the radiation receiver, calibrated in degrees Kelvin.

Способ включает следующие операции: подают питание на источник излучения, в качестве которого может быть использована, например, специальная лампа накаливания с нитью накала из вольфрама; измеряют падение напряжения U на ней и ток I через упомянутую нить, т.е. потребляемую электрическую мощность, пропорциональную полной энергии теплового излучения, испускаемого черным телом в соответствие с формулой (4)The method includes the following operations: supply power to a radiation source, which can be used, for example, a special incandescent lamp with a filament of tungsten; measure the voltage drop U on it and the current I through the mentioned thread, i.e. consumed electric power proportional to the total energy of thermal radiation emitted by the black body in accordance with the formula (4)

Figure 00000005
Figure 00000005

где S, мм2 - известная площадь излучающей поверхности нити;where S, mm 2 - the known area of the radiating surface of the thread;

σ=5,67032(71)·10-8 Вт·м-2·К-4, Дж - постоянная Стефана-Больцмана.σ = 5.67032 (71) · 10 -8 W · m -2 · K -4 , J - Stefan-Boltzmann constant.

В качестве приемника излучения используют оптический пирометр. По шкале пирометра, проградуированной в градусах Кельвина, определяют значение абсолютной температуры Т излучающего тела. По формуле (4) вычисляют значение полной энергии теплового излучения и по полученным значениям величин T и E(Т) по формуле (3) вычисляют постоянную Больцмана k.An optical pyrometer is used as a radiation receiver. On the pyrometer scale, graduated in degrees Kelvin, determine the value of the absolute temperature T of the radiating body. Using the formula (4), calculate the value of the total energy of thermal radiation and using the obtained values of T and E (T), use the formula (3) to calculate the Boltzmann constant k.

Недостатком рассмотренного способа является необходимость учета в формуле (3) геометрического фактора, обусловленного невозможностью экспериментального измерения излучения нечерного тела, испускаемого полусферой, что вносит значительную погрешность при определении постоянной Больцмана.The disadvantage of the considered method is the need to take into account the geometric factor in formula (3) due to the inability to experimentally measure the radiation of a non-black body emitted by the hemisphere, which introduces a significant error in determining the Boltzmann constant.

Заявляемый способ основан на использовании известного в физике явления - рассеяния фотонов (квантов электромагнитной энергии) на фононах (квантах акустической энергии) или тепловых колебаниях плотности вещества на, так называемом, рассеянии Мандельштам-Бриллюэна, а также на использовании того известного в физике факта, что зависимости плотности энергии как электромагнитного излучения, так и акустического от частоты подчиняются закону распределения Планка плотности энергии электромагнитного излучения по частотам, имеющего вид:The inventive method is based on the use of a phenomenon known in physics - scattering of photons (quanta of electromagnetic energy) by phonons (quanta of acoustic energy) or thermal fluctuations in the density of matter on the so-called Mandelstam-Brillouin scattering, and also on the use of the fact known in physics that the dependence of the energy density of both electromagnetic radiation and acoustic radiation on frequency obeys the Planck distribution law of the energy density of electromagnetic radiation over frequencies, having the form:

Figure 00000006
Figure 00000006

где Е·dν, Дж/м3 - плотность энергии электромагнитного излучения;where E · dν, J / m 3 is the energy density of electromagnetic radiation;

ν, Гц - частота кванта электромагнитного излученияν, Hz - frequency of a quantum of electromagnetic radiation

и связывающего плотность энергии с частотой излучения и постоянной Больцмана.and linking the energy density with the radiation frequency and the Boltzmann constant.

Заявляемый способ позволяет получить новый по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в снижении относительной погрешности определения постоянной Больцмана и достижении высокой технологичности процесса измерения. Достигаемый результат обусловлен тем, что процесс определения названной постоянной связан с измерением частоты, наиболее точно измеряемой в настоящее время и технологичной физической величины, что соответствует одной из задач фундаментальной метрологии - связать измерения фундаментальных констант с измерением частоты. Как показали расчеты, относительная погрешность определения постоянной Больцмана по предлагаемому способу не превышает величины 6·10-7, т.е. примерно на два порядка ниже наиболее точно измеренного ее значения - 2,5·10-5.The inventive method allows to obtain a new technical result compared to the prototype, which consists in reducing the relative error in determining the Boltzmann constant and achieving high adaptability of the measurement process. The achieved result is due to the fact that the process of determining the named constant is associated with measuring the frequency that is most accurately measured at the present time and the technological physical quantity, which corresponds to one of the tasks of fundamental metrology - to connect measurements of fundamental constants with frequency measurement. As calculations showed, the relative error in determining the Boltzmann constant by the proposed method does not exceed 6 · 10 -7 , i.e. about two orders of magnitude lower than its most accurately measured value - 2.5 · 10 -5 .

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в нем, так же, как и в прототипе, осуществляют измерение физических величин, характеризующих энергетическое состояние вещества исследуемого объекта, связанных между собой и с постоянной Больцмана математическим уравнением, из которого определяют искомое значение постоянной Больцмана.The essence of the proposed method lies in the fact that in it, as well as in the prototype, physical quantities are measured that characterize the energy state of the substance of the object under study, connected with each other and with the Boltzmann constant by a mathematical equation, from which the sought value of the Boltzmann constant is determined.

Но, в отличие от прототипа, в предлагаемом способе:But, unlike the prototype, in the proposed method:

одновременно облучают не менее двух исследуемых объектов, идентичных по химическому составу и физическим свойствам, и помещают их в термостатирующую среду с заданной постоянной температурой, причем один объект помещают в среду с низкими криогенными температурами, а другой - более высокими,simultaneously irradiate at least two studied objects, identical in chemical composition and physical properties, and place them in a thermostatic medium with a given constant temperature, and one object is placed in an environment with low cryogenic temperatures, and the other higher.

выполняют условие равенства hν=kнTн в низкотемпературном объекте, satisfy the equality condition hν = k n T n in the low-temperature object,

где hν - энергия фонона (кванта акустической энергии);where hν sn - phonon energy (quantum of acoustic energy);

kнТн - средняя кинетическая энергия теплового движения фононов;k n T n - average kinetic energy of the thermal motion of phonons;

νs - частота фонона;ν s is the phonon frequency;

индекс «н» означает принадлежность физической величины низкотемпературному объекту,the index "n" means that the physical quantity belongs to a low-temperature object,

для чего в нем варьируют частоту νSH возбужденной фононной моды путем изменения угла облучения θн упомянутого объекта,why in it the frequency ν SH of the excited phonon mode is varied by changing the irradiation angle θ n of the said object,

при достижении названного равенства с помощью спектрометра измеряют названную частоту,when the named equality is reached, the named frequency is measured with a spectrometer,

выполняют условие неравенства энергий для высокотемпературного объекта hν<<кнТв, где индекс «в» означает принадлежность физической величины высокотемпературному объекту, варьируя частоту ν изменением угла облучения θв названного объекта,operate energy inequality condition for high temperature object to hν sre << n T, where the subscript "in" refers to the physical quantity belonging to high-temperature object, by varying the frequency ν sre change in the irradiation angle θ of said object,

при выполнении упомянутого неравенства измеряют частоту ν с помощью спектрометра,when the above inequality is fulfilled, the frequency ν sv is measured using a spectrometer,

устанавливают равенство плотностей энергий тепловых фононов Ен·dν=Eв·dν в высоко- и низкотемпературных объектах,establish equal energy densities of thermal phonons E n · dν SH = E · dν in SB in high- and low-temperature objects,

при всех выполненных, вышеперечисленных условиях, по формуле, приведенной ниже вычисляют искомое значение постоянной Больцманаunder all the above conditions, by the formula below calculate the desired value of the Boltzmann constant

Figure 00000007
Figure 00000007

где Λн и Λв - длины волн колебаний фононов в соответствующих объектах.where Λ and Λ n in - phonon oscillation wavelengths in the respective objects.

Сущность изобретения поясняется чертежом,The invention is illustrated in the drawing,

где на фиг.1 изображена функциональная схема устройства, реализующего способ,where figure 1 shows a functional diagram of a device that implements the method,

на фиг.2 представлены графики зависимости плотности энергии фононного шума от частоты.figure 2 presents graphs of the dependence of the energy density of phonon noise on frequency.

Устройство (фиг.1) содержит: лазер 1, полупрозрачное зеркало 2, зеркало 3, поляризатор 4, исследуемые объекты 5 и 7, выполненные из акустооптического материала, например из плавленного кварца, криостат 6, термостат 8, фокусирующие линзы 9 и 10, фотоумножитель 11 и электронный спектрометр 12.The device (Fig. 1) contains: a laser 1, a translucent mirror 2, a mirror 3, a polarizer 4, test objects 5 and 7 made of acousto-optical material, for example, fused silica, a cryostat 6, thermostat 8, focusing lenses 9 and 10, a photomultiplier 11 and an electronic spectrometer 12.

Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности: измерительные элементы 5 и 7 помещают в термостатирующую среду при постоянной, но различной температуре, например при температуре фазовых равновесий в т.н. реперных точках, которые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы МГГТШ - 68. Измерительный объект 5 помещают в криостат 6 при низкой - криогенной температуре, например при температуре λ - точки гелия 3Не, т.е. при Т5=2,17 К, а измерительный элемент 7 - в термостат 8 при температуре тройной точки воды T7=273,16 К.The proposed method is carried out in the following sequence: measuring elements 5 and 7 are placed in a thermostatic medium at a constant but different temperature, for example, at the temperature of phase equilibria in the so-called reference points, which serve as reference temperature points of the International Practical Temperature Scale MGGTS - 68. The measuring object 5 is placed in a cryostat 6 at low - cryogenic temperature, for example, at a temperature of λ - 3 He helium point, i.e. at T 5 = 2.17 K, and measuring element 7 to the thermostat 8 at a temperature of a triple point of water T 7 = 273.16 K.

Монохроматическое излучение лазера 1, например, в ультрафиолетовой (УФ) части оптического спектра, прошедшее через объекты 5 и 7 и рассеянное на тепловых фононах их вещества, фокусируют линзами 9 и 10 на фотоумножитель 11. Электрический сигнал с фотоумножителя 11 подают на электронный спектрометр 12.The monochromatic radiation of laser 1, for example, in the ultraviolet (UV) part of the optical spectrum, transmitted through objects 5 and 7 and scattered by the thermal phonons of their substance, is focused by lenses 9 and 10 onto a photomultiplier 11. The electric signal from the photomultiplier 11 is fed to an electronic spectrometer 12.

В спектре флуктуации фототока фотоумножителя 11 присутствуют разностные частоты νs5 и νs7, представляющие собой частоты тепловых фононов в веществе исследуемых объектов при температурах Т5 и Т7, соответственно.The fluctuation spectrum of the photocurrent of photomultiplier 11 contains difference frequencies ν s5 and ν s7 , which are the frequencies of thermal phonons in the material of the studied objects at temperatures T 5 and T 7 , respectively.

В объекте 5 возбуждают фононную моду с частотой νs5, удовлетворяющей равенству hνs5=k5Т5 (точка 1 фиг.2), где hνs5 - энергия фонона (кванта акустической энергии); k5Т5 - средняя кинетическая энергия теплового движения фононов. Указанную частоту устанавливают изменением угла в 5 облучения элемента 5 при повороте лазера 1 относительно точки облучения O1.In object 5, a phonon mode is excited with a frequency ν s5 satisfying the equality hν s5 = k 5 T 5 (point 1 of FIG. 2), where hν s5 is the phonon energy (quantum of acoustic energy); k 5 T 5 - the average kinetic energy of the thermal motion of phonons. The specified frequency is set by changing the angle 5 of the irradiation of element 5 when the laser 1 is rotated relative to the irradiation point O 1 .

Величину k5 принимают равной известному, наиболее точно измеренному, значению - 1380662·10-23 Дж·K-1 (см. Квантовая метрология и фундаментальные константы/ Под ред. д-ра физ.-мат наук Р.Н.Фаустова - и чл. корр АНУССР В.П.Шелеста. Пер. с англ. М.: Мир, 1981. С.401).The value of k 5 is taken equal to the known, most accurately measured, value - 1380662 · 10 -23 J · K -1 (see Quantum metrology and fundamental constants / Ed. By the doctor of physical and mathematical sciences R.N. Faustov - and Corresponding Member of the Academy of Sciences of the USSR V.P. Shelest.Lane from English.M .: Mir, 1981. P.401).

В элементе 7 возбуждают одну из фононных мод с частотой νs7, удовлетворяющей неравенству hνs7<<k5T7. В данном примере этому условию удовлетворяют все частоты νs - значения аргумента функции Es·dνs=f(νs), представленной кривой I на фиг.2In element 7, one of the phonon modes is excited with a frequency ν s7 satisfying the inequality hν s7 << k 5 T 7 . In this example, this condition is satisfied by all frequencies ν s - the values of the argument of the function E s · dν s = f (ν s ) represented by curve I in FIG. 2

При выполненных двух вышеупомянутых условий устанавливают равенство плотностей энергии тепловых фононов в объектах 5 и 7 Es5·dνs5=Es7·dνs7.Under the two above-mentioned conditions, the energy densities of thermal phonons are equal in objects 5 and 7 E s5 · dν s5 = E s7 · dν s7 .

где Es5 и Es7, Дж - кинетическая энергия фононов в объектах 5 и 7;where E s5 and Es 7 , J - kinetic energy of phonons in objects 5 and 7;

s5 и dνs7, Гц - полоса частот фононов в объектах 5 и 7, для чего варьируют частоту νs7 изменением угла облучения θ7 объекта 7, при этом для изменения названного угла зеркало 3 перемещают по дуге и/или вращают вокруг оси нормальной к плоскости рисунка (фиг.1).s5 and dν s7 , Hz is the phonon frequency band in objects 5 and 7, for which the frequency ν s7 is varied by changing the irradiation angle θ 7 of object 7, and to change the named angle, mirror 3 is moved along an arc and / or rotated around the normal axis to the plane of the figure (figure 1).

Достижение приведенного выше равенства контролируют выполнением соотношенияThe achievement of the above equality is controlled by the fulfillment of the relation

νs7s5=Is7·Λ5/ΛIs5·Λ7,ν s7 / ν s5 = I s7 · Λ 5 / ΛI s5 · Λ 7 ,

где Is5, Is7 и Λ5, Λ7 - интенсивности и длины волн колебаний фононов соответственно в объектах 5 и 7,where I s5 , I s7 and Λ 5 , Λ 7 are the intensities and wavelengths of phonon vibrations in objects 5 and 7, respectively,

путем изменения интенсивности Is5 и/или Is7 при повороте поляризатора 4.by changing the intensity I s5 and / or I s7 when rotating polarizer 4.

Интенсивности Is5 и Is7, частоты νs7 и νs5 и длины волн Λ5 и Λ7 колебаний фононов измеряют электронным спектрометром 12. При выполненных трех условиях: hνs5=k5T5, hνs7<<k5T7 и Es5·dνs5=Es7·dνs7 решают систему двух уравнений относительно k7, представляющих собой уравнение Планка, записанное как распределение плотности энергии фононов по частотам в исследуемых объектах 5 и 7The intensities I s5 and I s7 , the frequencies ν s7 and ν s5 and the wavelengths Λ 5 and Λ 7 of the phonon vibrations are measured by an electronic spectrometer 12. Under the three conditions: hν s5 = k 5 T 5 , hν s7 << k 5 T 7 and E s5 · dν s5 = E s7 · dν s7 solve the system of two equations with respect to k 7 , which are the Planck equation, written as the frequency distribution of the phonon energy density in the studied objects 5 and 7

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

где Es5·dνs5 и Es7·dνs7, Дж/м3 - плотность энергии теплового фононного шума;where E s5 · dν s5 and E s7 · dν s7 , J / m 3 is the energy density of thermal phonon noise;

Сs, м/с - скорость распространения фононов - скорость звука в измерительных элементах;C s , m / s — phonon propagation velocity — sound velocity in measuring elements;

множитель «12» обусловлен тем, что возможны три направления поляризации фонона, далее производят необходимые подстановки и преобразования с учетом соотношений:the factor "12" is due to the fact that three directions of polarization of the phonon are possible, then the necessary substitutions and transformations are made taking into account the relations:

Cs=Λ Ω/2π, Ω2π·νs и

Figure 00000010
C s = Λ Ω / 2π, Ω2π · ν s and
Figure 00000010

где Ω, Гц - угловая частота фонона;where Ω, Hz is the angular frequency of the phonon;

Λ, м - длина волны колебаний фононов;Λ, m - wavelength of phonon vibrations;

λл, м - длина волны лазерного излучения;λ l, m - length of laser radiation;

Θ°- угол облучения объекта,Θ ° - the angle of exposure of the object,

и по формуле (6) вычисляют искомое значение постоянной Больцмана k7 and by the formula (6) calculate the desired value of the Boltzmann constant k 7

Далее для получения более точного значения искомой постоянной процедуру повторяют, при этом вычисленное значение постоянной Больцмана k7 используют в качестве известного, для чего:Next, to obtain a more accurate value of the desired constant, the procedure is repeated, while the calculated value of the Boltzmann constant k 7 is used as a known one, for which:

устанавливают для объекта 5 равенство hνs5(1)=k5(1)T5,establish for the object 5 the equality hν s5 (1) = k 5 (1) T 5 ,

где k5(1) равно вычисленному значению k7,where k 5 (1) is equal to the calculated value of k 7 ,

a νs5(1) - новое значение фононной моды в веществе объекта 5, удовлетворяющее данному равенству,a ν s5 (1) is the new value of the phonon mode in the substance of object 5, satisfying this equality,

затем возбуждают в объекте 7 фононную моду с частотой Vs7(1), удовлетворяющую неравенству hνs7(1)<<k7T7,Then, a phonon mode with a frequency V s7 (1) satisfying the inequality hν s7 (1) << k 7 T 7 is excited in object 7 ,

устанавливают равенство плотностей энергии тепловых фононов в объектах 5 и 7 при выполненных двух вышеупомянутых условий Es5(1)·dνs5(1)=Es7(1)·dνs7(1),establish the equality of the energy densities of thermal phonons in objects 5 and 7 under the two above conditions E s5 (1) · dν s5 (1) = E s7 (1) · dν s7 (1) ,

где Es5(1) и Es7(1) - новые значения кинетической энергии тепловых фононов, соответствующие значению постоянной Больцмана k7(1) where E s5 (1) and E s7 (1) are the new values of the kinetic energy of thermal phonons corresponding to the value of the Boltzmann constant k 7 (1)

и по формуле (6), подставляя соответствующие значенияand by formula (6), substituting the corresponding values

Figure 00000011
Figure 00000011

вычисляют более точное значение постоянной Больцмана k7(1).calculating a current value of the constant k Boltzmann 7 (1).

Для проверки возможности промышленной применимости предлагаемого изобретения было произведено определение постоянной Больцмана расчетным путем. Результаты расчета позволяют отнести способ к решениям, соответствующим указанному критерию.To test the possibility of industrial applicability of the invention, the Boltzmann constant was determined by calculation. The calculation results make it possible to attribute the method to solutions that meet the specified criterion.

Пример.Example.

Для приводимого примера были приняты следующие исходные данные: в качестве вещества, из которого выполнены исследуемые объекты 5 и 7, выбран плавленый кварц, в качестве источника излучения фотонов - лазер с длиной волны в ультрафиолетовой (УФ) части оптического спектра λл=2·10-7 м. При этом температура термостагирующей жидкости Т7 в термостате 8 принимается равной 273,16 К, а Т5 в криостате 6 - 2,17 К.For the given example, the following initial data were taken: fused silica was chosen as the substance from which the studied objects 5 and 7 were made, a laser with a wavelength in the ultraviolet (UV) part of the optical spectrum λ l = 2 · 10 was chosen as the source of photon radiation -7 m. In this case, the temperature of the thermostatic liquid T 7 in thermostat 8 is taken equal to 273.16 K, and T 5 in the cryostat 6 - 2.17 K.

Для объектов 5 и 7 по формулам (7а) и (7б) вычисляют значения Es·dνs=f(νs,θ) плотности энергии от частоты фононов и угла облучения при Е=Const. Результаты вычислений приведены в таблице 1.For objects 5 and 7, according to formulas (7a) and (7b), the values of E s · dν s = f (ν s , θ) are calculated for the energy density of the phonon frequency and the irradiation angle at E = Const. The calculation results are shown in table 1.

Figure 00000012
Figure 00000012

По данным таблицы строят зависимости Es·dνs=f(νs,θ) (фиг.2), с помощью которых определяют значение частот νs фононных мод в зависимости от угла облучения при постоянной температуре.According to the table, the dependences Es · dνs = f (ν s , θ) are constructed (Fig. 2), with the help of which the frequency ν s of the phonon modes is determined depending on the irradiation angle at a constant temperature.

Далее выполняют условие равенства энергий hν=kнTн в объекте при низкой температуре. В примере - на кривой II определяют место положения точки 1, для чего из условия hνs5=k5T5 определяют значение частоты νs5 фононной модыNext, the condition for the equality of energies hν = k n T n in the object at low temperature is fulfilled. In the example, the position of point 1 is determined on curve II, for which, from the condition hν s5 = k 5 T 5 , the frequency ν s5 of the phonon mode is determined

Figure 00000013
Figure 00000013

которому соответствует угол облучения объекта, находящийся между 50 и 60 градусами (табл.1 строки 13 и 14). Значение постоянной Больцмана в этом случае принимают известным, равным наиболее точно измеренному значению k5=1380662·10-23 Дж·К-1.which corresponds to the angle of exposure of the object, located between 50 and 60 degrees (table 1 lines 13 and 14). The value of the Boltzmann constant in this case is taken to be known, equal to the most accurately measured value of k 5 = 1380662 · 10 -23 J · K -1 .

Выполняют условие неравенства hν<<kнTв для объекта, находящегося при высокой температуре. В примере при максимальной частоте фононов νs7≈20·109 Гц, а значит и для всех частот в диапазоне от 0 до 20·109 Гц (см. фиг.2, кривая 1) названное неравенство выполняется.The inequality condition hν << k н T в is fulfilled for an object located at a high temperature. In the example, at the maximum phonon frequency ν s7 ≈20 · 10 9 Hz, and therefore for all frequencies in the range from 0 to 20 · 10 9 Hz (see Fig. 2, curve 1), the above inequality is fulfilled.

Действительно: 6,626176·10-34<<1,38662·10-23·273,16.Valid: 6.626176 · 10 -34 << 1.38662 · 10 -23 · 273.16.

Устанавливают равенство плотностей энергий тепловых фононов Es7·dνs7=Es5·dνs5, для чего в примере определяют положение точки 2 на кривой I, в которой выполняется названное равенство, а ее проекция на ось абсцисс дает значение частоты фононной моды νs7=9,412 Гц. Упомянутая точка находится на пересечении кривой 1 с прямой, параллельной оси абсцисс, проходящей через точку 1 на кривой II.The equality of the energy densities of the thermal phonons E s7 · dν s7 = E s5 · dν s5 is established , for which the example determines the position of point 2 on curve I at which the above equality is fulfilled, and its projection onto the abscissa gives the value of the frequency of the phonon mode ν s7 = 9.412 Hz. The mentioned point is at the intersection of curve 1 with a straight line parallel to the abscissa axis passing through point 1 on curve II.

Точка пересечения названной прямой с осью ординат дает значение плотности энергии колебаний фононных мод объектов 7 и 5, удовлетворяющее установленному равенству.The intersection point of the named line with the ordinate axis gives the value of the energy density of vibration of the phonon modes of objects 7 and 5, which satisfies the established equality.

По найденным значениям Λ7, Λ5, νs7, νs5, dνs5, dνs7 и значениям постоянных величин T5, Т7 и k5, пользуясь формулой (6), вычисляют искомую постоянную k7:From the found values of Λ 7 , Λ 5 , ν s7 , ν s5 , dν s5 , dν s7 and the values of the constant values T 5 , T 7 and k 5 , using the formula (6), calculate the desired constant k 7 :

Figure 00000014
Figure 00000014

Относительная погрешность определения постоянной Больцмана по заявляемому способу определялась анализом уравнения (6), из которого следует:The relative error in determining the Boltzmann constant by the claimed method was determined by the analysis of equation (6), from which it follows:

Figure 00000015
Figure 00000015

где длину волны (измеряют типовым прецизионным спектрометром с относительной погрешностью порядка 10-7.where is the wavelength (measured by a typical precision spectrometer with a relative error of the order of 10 -7 .

Поскольку относительная погрешность измерения частот νs7 и νs5 имеет порядок 10-10, т.е. на три порядка ниже относительной погрешности определения длины волны фононов и является величиной пренебрежимо малой, относительная погрешность определения постоянной Больцмана равнаSince the relative measurement error of the frequencies ν s7 and ν s5 is of the order of 10 -10 , i.e. three orders of magnitude lower than the relative error in determining the phonon wavelength and is negligible, the relative error in determining the Boltzmann constant is

Figure 00000016
Figure 00000016

При необходимости получения более точного значения постоянной Больцмана расчет повторяют, при этом вычисленное значение постоянной k7 используют в качестве известного.If necessary, to obtain a more accurate value of the Boltzmann constant, the calculation is repeated, while the calculated value of the constant k 7 is used as a known one.

Claims (1)

Способ определения постоянной Больцмана путем измерения физических величин, характеризующих энергетическое состояние вещества исследуемых объектов, функционально связанных между собой и с названной постоянной математическим уравнением, из которого вычисляют указанную постоянную, отличающийся тем, что помещают в термостатирующую среду не менее двух исследуемых объектов, идентичных по химическому составу и физическим свойствам, выполненных из акустооптического материала, например, из плавленого кварца, причем один объект помещают в среду с низкими криогенными температурами, а другой - с более высокими температурами, затем одновременно облучают названные объекты монохроматическим лазерным излучением с длиной волны, равной, например, длине волны, находящейся в ультрафиолетовой части оптического спектра, для возбуждения в них фононов с частотой νs, далее добиваются равенства энергий hνSH и kHТH в объекте, находящемся при низкой температуре, где νSH - частота фононной моды в элементе при низкой температуре;The method of determining the Boltzmann constant by measuring physical quantities characterizing the energy state of the substance of the studied objects, functionally related to each other and with the named constant mathematical equation, from which the specified constant is calculated, characterized in that at least two studied objects are placed in a thermostatic medium, identical in chemical composition and physical properties made of acousto-optical material, for example, fused quartz, and one object is placed in medium with low cryogenic temperatures, and another with higher temperatures, then these objects are simultaneously irradiated with monochromatic laser radiation with a wavelength equal, for example, to the wavelength located in the ultraviolet part of the optical spectrum, to excite phonons with a frequency ν s in them, then they achieve equality of energies hν SH and k H Т H in the object located at low temperature, where ν SH is the frequency of the phonon mode in the element at low temperature; kH - известное значение постоянной Больцмана;k H is the known value of the Boltzmann constant; ТH, k - известное значение низкой температуры; h, Дж·с - постоянная Планка,T H , k is the known value of low temperature; h, J · s - Planck constant, для чего варьируют частоту νSH путем изменения угла облучения θН объекта, находящегося при низкой температуре, при этом названную частоту измеряют с помощью спектрометра, выполняют условие неравенства энергий для объекта, находящегося при высокой температуре hνSB<<kHTB,why the frequency ν SH is varied by changing the irradiation angle θ H of an object located at a low temperature, while the named frequency is measured with a spectrometer, the energy inequality condition for an object located at a high temperature is fulfilled hν SB << k H T B , где νSB - частота фононной моды в объекте, находящемся при высокой температуре;where ν SB is the frequency of the phonon mode in an object at a high temperature; Тв, k - известное значение высокой температуры,T in , k is the known value of heat, варьируя частоту νSB изменением угла облучения θВ объекта, находящегося при высокой температуре, далее устанавливают равенство плотностей энергий тепловых фононов EH·dνSH и EB·dνSB,by varying the frequency ν SB by changing the irradiation angle θ B of the object at high temperature, then establish the equality of the energy densities of the thermal phonons E H · dν SH and E B · dν SB , где ЕH и ЕB - кинетическая энергия фононов в объектах, находящихся при низкой и высокой температурах соответственно;where Е H and Е B - kinetic energy of phonons in objects located at low and high temperatures, respectively; SH и dνSB - полоса частот колебаний фононов в объектах при низких и высоких температурах соответственно,SH and dν SB are the frequency band of phonon vibrations in objects at low and high temperatures, respectively, для чего варьируют частоту νSB путем изменения угла θВ объекта, находящегося при высокой температуре, и одновременно контролируют достижение названного равенства выполнением соотношенияwhy they vary the frequency ν SB by changing the angle θ В of the object at high temperature, and at the same time control the achievement of the named equality by fulfilling the relation νSBSH=ISB·ΛH/ISH·ΛB,ν SB / ν SH = I SB · Λ H / I SH · Λ B , где ISH и ISB - интенсивности колебаний фононов в объектах при низких и высоких температурах соответственно;where I SH and I SB are the intensities of phonon vibrations in objects at low and high temperatures, respectively; ΛH и ΛB - длины волн колебаний фононов в объектах,Λ H and Λ B are the wavelengths of oscillations of phonons in objects, путем изменения интенсивности ISH и/или ISB колебаний фононов в объектах с помощью поляризатора, после чего с помощью спектрометра измеряют частоты νSB и νSH, длины волн ΛB и ΛH, и по формуле
Figure 00000017
вычисляют искомое значение постоянной Больцмана kB.
by changing the intensity of I SH and / or I SB of phonon vibrations in objects using a polarizer, and then using the spectrometer to measure the frequency ν SB and ν SH , the wavelengths Λ B and Λ H , and by the formula
Figure 00000017
the sought value of the Boltzmann constant k B is calculated.
RU2006123271/28A 2006-06-29 2006-06-29 Process of boltzmann constant calculation RU2327972C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006123271/28A RU2327972C2 (en) 2006-06-29 2006-06-29 Process of boltzmann constant calculation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006123271/28A RU2327972C2 (en) 2006-06-29 2006-06-29 Process of boltzmann constant calculation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006123271A RU2006123271A (en) 2008-01-10
RU2327972C2 true RU2327972C2 (en) 2008-06-27

Family

ID=39019877

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006123271/28A RU2327972C2 (en) 2006-06-29 2006-06-29 Process of boltzmann constant calculation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2327972C2 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Т.КУИН. Температура. М.: Мир, 1985, с.27. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006123271A (en) 2008-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Moldover et al. Gravity effects in fluids near the gas-liquid critical point
Lewis et al. Chandra observations of a2029: The dark matter profile down to below 0.01 rvir in an unusually relaxed cluster
Mitrinović et al. Noncapillary-wave structure at the water-alkane interface
Benassi et al. Evidence of high frequency propagating modes in vitreous silica
Sinclair et al. Light Scattering as a Measure of Particle Size in Aerosols. The Production of Monodisperse Aerosols.
Buzykaev et al. Measurement of optical parameters of aerogel
Larsen et al. On the validity of the Lorentz—Lorenz equation near the critical point
Tycner et al. Constraining the physical parameters of the circumstellar disk of χ Ophiuchi
Blinov et al. Budget of uncertainties in the cesium frequency frame of fountain type
Pitre et al. An improved acoustic method for the determination of the Boltzmann constant at LNE-INM/CNAM
Holanda et al. Cosmological constraints on the gas depletion factor in galaxy clusters
Kravitz et al. Measurements of angle-resolved reflectivity of PTFE in liquid xenon with IBEX
Wood et al. Computerized refractive index measurements for bulk materials at UV, visible, and IR wavelengths
RU2327972C2 (en) Process of boltzmann constant calculation
Huffman et al. Precision neutron interferometric measurement of the n− He 3 coherent neutron scattering length
Holanda Is the non-isothermal double β-model incompatible with no time evolution of galaxy cluster gas mass fraction?
Loheider et al. Brillouin scattering on the glass former GeSBr2
Flom et al. A grazing incidence x‐ray diffraction study of the transverse structure function of the liquid–vapor interface of Ga
Apanasevich et al. Tables for the Energy and Photon Distribution in Equilibrium Radiation Spectra: Mathematical Tables Series, Vol. 35
Hansen et al. Specular reflection from mercury vapor
Fischer et al. The IMERAPlus joint research project for determinations of the Boltzmann constant
Hennet et al. Structure and dynamics of levitated liquid aluminates
Hansen et al. Measurement of temperature and emissivity of specularly reflecting glowing bodies
Zhang et al. A rotating-interface method for measuring optical constants of weakly absorbing medium at high-temperature
Andriesse et al. Pair potential for argon from neutron diffraction at low density

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140630