18998

Сильно вырожденный ферми - газ

Лекция

Физика

Лекция ХI 1. Сильно вырожденный ферми газ. Будем рассматривать фермионы со спином равным половине электроны протоны нейтроны когда . Посмотрим как ведет себя распределение ФермиДирака IX.2.2 XI.1.1 ка...

Русский

2013-07-11

249.5 KB

7 чел.

Лекция ХI

1. Сильно вырожденный ферми - газ.

Будем рассматривать фермионы со спином, равным половине (электроны, протоны, нейтроны), когда . Посмотрим, как ведет себя распределение Ферми-Дирака (IX.2.2)

                                                          (XI.1.1)

как функция энергии  при . Пусть химический потенциал при заданной плотности  и нулевой температуре равен . Тогда распределение (XI.1.1) принимает вид ступеньки с высотой равной 1, см. рис. XI.1.

                                                            Рис. XI.1.

Таким образом, все уровни с энергией меньше или равной  заняты, а выше ее – свободны. Это граничное значение энергии называется энергией Ферми . Поэтому полное число фермионов в объеме  равно

                                 (XI.1.2)

Отсюда граничный импульс – радиус ферми-сферы -

,                                                         (XI.1.3)

а энергия Ферми

                                                      (XI.1.4)

Полная энергия газа равна       

                                       (XI.1.5)

или с учетом (XI.1.3) и (XI.1.4)

                                        (XI.1.6)

Отсюда в соответствии с общей формулой (X.2.9) получаем

,                                          (XI.1.7)

т.е. давление сильно вырожденного ферми-газа зависит только от концентрации частиц, но не от температуры. Условие применимости формул (XI.1.5) и (XI.1.6)

                                                  (XI.1.8)

Оценим, когда можно считать плазму (т.е. газ электронов и ядер) идеальной. Пусть среднее расстояние между электронами и ядрами. Тогда энергия кулоновского взаимодействия электронов с ядрами, отнесенная к одному электрону, должна быть много меньше средней кинетической энергии электрона, которая имеет порядок энергии Ферми:

                                                              (XI.1.9)

Если число электронов, а  - число ядер (заряд ядра, газ в целом электронейтрален), то  и условие (XI.1.9) принимает вид

                                          (XI.1.10)

Отсюда следует неравенство

                                            (XI.1.11)

(радиус Бора). Таким образом, чем больше плотность, тем лучше выполняется условие “идеальности” газа. Температура вырождения, соответствующая критической плотности , при которой нарушается требование идеальности (XI.1.11), равна

              (XI.1.12)

Температура внутри Солнца , т.е. электронный газ можно считать невырожденным.

Посмотрим, что можно сказать об электронах в зоне проводимости металлов. Все щелочные металлы, а также медь, серебро и золото отдают по одному электрону с атома в зону проводимости. Если учесть, что плотность золота , а его молярный вес , то плотность электронов

                                          (XI.1.13)

Примерно такая же концентрация и для других хороших проводников. Поэтому в этом случае

                (XI.1.14)

Таким образом, электроны в зоне проводимости металлов при комнатной температуре  сильно вырождены. Заметим, что скорость электронов на поверхности Ферми

                     (XI.1.15)

(), т.е.  и электронный газ является нерелятивистским.

2. Теплоемкость вырожденного ферми-газа.

Так как энергия (XI.1.6) не зависит от температуры, для вычисления теплоемкости нужно найти следующий член разложения (X.2.8) по малому параметру . Задача сводится к приближенному вычислению интеграла

                                  (XI.2.1)

при . Полагая , имеем

                               (XI.2.2)

В первом интеграле делаем замену  и учитываем тождество

,

                             (XI.2.3)

Переходя к переменной   в первом из этих интегралов, имеем

                                       (XI.2.4)

Заметим, что это точное соотношение, поскольку никаких приближений пока сделано не было. Учтем теперь, что параметр , а второй и третий интеграл сходятся при значениях . Поскольку

      ,

то интеграл (XI.2.4) приближенно равен

              (XI.2.5)

Используя значение интеграла

                                                               (XI.2.6)

окончательно с экспоненциальной точностью получаем.

                                         (XI.2.7)

Возвращаясь к поставленной задаче, найдем сначала поправку к химическому потенциалу , который определяется из уравнения (X.2.5) с

                                                       (XI.2.8)

Элементарное вычисление дает

                                              (XI.2.9)

Полагая здесь

                                                     (XI.2.10)

и учитывая явное выражение для энергии Ферми (XI.1.4) и квантового объема (IX.5.4), получаем

                    (XI.2.11)

Аналогично вычисляется поправка к полной энергии

                                             (XI.2.12)

Подставляя сюда разложение (XI.2.10) с , определенной в (XI.2.11), окончательно находим

                                                (XI.2.13)

Отсюда для теплоемкости следует

                             (XI.2.14)

Эта формула удовлетворяет теореме Нернста:  при . Выражение (XI.2.14) показывает, что электронные степени свободы “вымерзают” при , т.е. не дают вклада в теплоемкость, в отличие от классического закона равнораспределения. Вырожденный электронный газ – существенно квантовая система.

Рассмотрим флуктуацию числа частиц  в ом квантовом состоянии. Согласно общей формуле (VIII.5.5) имеем

                                 (XI.2.15)

где  - среднее число заполнения ого квантового состояния, см. (IX.2.2), а термодинамический потенциал  определен в (IX.2.1). Простое дифференцирование дает

                                                   (XI.2.16)

Максимальная флуктуация, возникающая при ,  равна . В классическом пределе ()

,                                                    (XI.2.17)

а для сильно вырожденного ферми-газа (при) она равна нулю:

                                                        (XI.2.18)

для всех квантовых состояний:  при  и  при .

Для флуктуации полного числа фермионов в этом случае согласно (VIII.5.5) и (XI.2.9) получаем

                                                      (XI.2.19)

Так что относительная флуктуация

                                   (XI.2.20)

мала не только за счет макроскопичности системы, но также из-за вырождения, . Изотермическая сжимаемость, см. (VIII.5.11), равна

,                                       (XI.2.21)

т.е. не зависит от температуры, а только от плотности числа частиц: чем больше концентрация, тем меньше сжимаемость, т.е. система фермионов становится более жесткой. Стабильность белых карликов и нейтронных звезд полностью связана с давлением вырожденного газа электронов и нейтронов, соответственно.

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16387. Статистические функции MS Excel 216.5 KB
  Статистические функции MS Excel С использованием электронной таблицы произвести обработку данных помощью статистических функций. Даны сведения об учащихся класса включающие средний балл за четверть возраст год рождения и пол. Определить средний балл мальчиков долю
16388. Функции в Ms Excel 49 KB
  Лабораторная работа №2 Функции в Ms Excel В целом Microsoft Excel содержит около 1000 функций рабочего листа встроенных функций обеспечивающих возможность выполнения самых разнообразных вычислений. Все они в соответствии с характером вычислений делятся на 12 групп: матема...
16389. MS Excel 2007. Использование функций 147.14 KB
  MS Excel 2007. Использование функций IФункции в MS Excel. Мастер функций IIЗадание для самостоятельной работы 2.1.Математические функции 2.2.Статистические функции Функции в MS Excel. Мастер функций При проведении расчетов в электронных таблицах часто необходимо использо...
16390. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ 47.24 KB
  Математические функции Математические функции используют при выполнении арифметических и тригонометрических вычислений округлении чисел и в некоторых других случаях. 1. Курсивом оформлены необязательные аргументы функций. 2. Вместо списка чисел раздел...
16391. Использование формул и функций в MS Excel.Создание и применение шаблона 14.2 KB
  Практическая работа №5. Тема: Использование формул и функций в MS Excel.Создание и применение шаблона. Цель: Освоить технологию работы с функциями программы MS Excel.Научиться решать прикладные задачи в MS Excel. 1Функция ПРОСМОТР – возвращает значение из строки из столбца ил
16392. Microsoft Office Excel 2007. Вычисления в Excel. Формулы и функции 70.5 KB
  Практическая работа №10 Microsoft Office Excel 2007. Вычисления в Excel. Формулы и функции Практическая часть Задание 1. Переименование ячеек и создание ссылок Создайте лист Excel Правая кнопка/Создать/Лист Microsoft Office Excel и назовите его по своему усмотрению. В данном листе переимену
16393. Использование EXCEL для работы с финансовыми функциями накопления и дисконтирования 179.64 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10 Использование EXCEL для работы с финансовыми функциями накопления и дисконтирования Цель работы: изучить финансовые функции ПС БС ПЛТ. Теоретическая часть При работе с финансовыми функциями используются специальные фи
16394. Microsoft Excel 2007. Форматы ячеек, функции, работа с блоками 47 KB
  Практическая работа № 12Microsoft Excel 2007. Форматы ячеек функции работа с блоками Задание 1. Число формат ячейки Создайте новый документ Microsoft Excel. Первый лист файла переименуйте в Формат. Для этого выполните двойной клик на Лист1 введите новое название листа и нажмите Enter. ...
16395. Microsoft Excel. Графики функций 78.97 KB
  Практическая работа № 21 Тема: Microsoft Excel. Графики функций Цель: научиться строить графики функций в MS Excel. Задание 1 1. Запустить Microsoft Excel.Создать новый файл и сохранить его в своей папке дискz: под именем Ex2_№группы_фамилия. 2. Составить таблицу для вычисления следу...