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

37153. оссия при Екатерине Второй, политика «просвещенного абсолютизма» 18.68 KB
  Колоссальное количество монастырских крестьян были переданы государству благодаря чему пополнилась казна России. Как и во многих других государствах Европы для России в период правления Екатерины II была характерна политика просвещенного абсолютизма которая предполагала правителя мудрого покровительствовавшего искусству благодетеля всей науки.И все же проявлением политики просвещенного абсолютизма было создание и деятельность комиссии по составлению нового законодательного свода России вместо отжившего Соборного Уложения 1649 г. В...
37154. Внутренняя политика первой четверти XIX века. Александр Первый. Негласный комитет 131.84 KB
  Александр Первый. ЭПОХА АЛЕКСАНДРА I АЛЕКСАНДР I 1777 1825 Четверть века царствования императора Александра Павловича ярчайшая эпоха русской истории. Во время царствования императора Александра I представители образованной части русского общества почувствовали себя европейцами. 245 Портрет Александра I.
37155. «Восточный вопрос» во внешней политике России в 30-50 гг. XIX в. Крымская война 20.83 KB
  Восточный вопрос во внешней политике России в 3050 гг. в центре внешней политики России находился Восточный вопрос сложный конгломерат острейших международных противоречий от разрешения которых зависели безопасность границ империи дальнейшие перспективы развития черноморской торговли и экономическое состояние южных губерний. Это движение традиционно получало поддержку России выступавшей в качестве заступницы славян христианского вероисповедания преимущественно населявших Балканы. Такая позиция объективно способствовавшая освобождению...
37156. Правительство и общество при Николае Первом 37.95 KB
  Общественное движение в России во второй четверти XIX в. Поражение декабристов явилось тяжелым ударом для общественного движения в России. Единение народа и монарха народность объявлялось третьим коренным чувством в России. Они были проникнуты глубоким пессимизмом разочарованием в прошлом России и неверием в ее будущее.
37157. Отмена крепостного права. Содержание и сущность реформ 1861 г., их историческое значение 28.36 KB
  Эти акты приняли такой размах что правительство незадолго до реформы специальными указами было вынуждено наложить запрет на подобные действия. Первоначально издатели Колокола верили в либеральные намерения нового императора Александра II 18551881 и возлагали определенные надежды на разумно проведенные реформы сверху .Левшиным была разработана правительственная программа крестьянской реформы которая хотя и давала крепостным гражданские права но сохраняла всю землю в собственности помещика и предоставляла последнему вотчинную власть в...
37158. Особенности генезиса капитализма в России в конце XIX века 57.55 KB
  Особенности генезиса капитализма в России в конце XIX века. Развитие капитализма и формирование промышленного пролетариата в России в 60х середине 90х годов XIX в. Капиталистические отношения охватывали все сферы экономики способствовали ускорению темпов развития народного хозяйства России. Сельское хозяйство России в пореформенный период И после реформы 1861 г .
37159. Социально-политический строй России начала XX века. Основные классы и сословия 24.63 KB
  Социальнополитический строй России начала XX века. Социальная структура России в конце XIX начале XX в. на тысячу населения приходилось 44 родившихся и снижения смертности которая впрочем в России в 1913 г . Социальная структура России в конце XIX начале XX в.
37160. Древняя Русь при первых Рюриковичах. Внутренняя и внешняя политика. «Повесть временных лет». Норманнская теория 21.81 KB
  Походами на вятичей литовцев радимичей болгар Владимир укрепил владения Киевской Руси. Принятие христианства не только уравняло Киевскую Русь с соседними государствами но и оказало огромное влияние на культуру быт и нравы древней Руси.При Ярославе Владимировиче прозванном Мудрым начал оформляться единый для всей Руси судебный кодекс Русская Правда. В Киеве Новгороде Полоцке были построены величественные соборы святой Софии что должно было показать церковную самостоятельность Руси.
37161. Принятие христианства. Владимир Первый. Развитие Руси при Ярославе Мудром. «Русская правда» 18.69 KB
  Развитие Руси при Ярославе Мудром. Древние русичи были язычниками поклонялись множеству богов бог неба Сварог бог Солнца Дажбог бог грома и молний Перун и т. Христианство было уже известно на Руси и до крещения Владимира. Однако будущий креститель Руси начинал свой путь убежденным язычником и прошло немало времени пока изменились его взгляды.