- •Министерство образования Республики Беларусь
- •Белорусский национальный технический университет
- •Кафедра «Техническая физика»
- •Основы молекулярНой физиКи
- •1. Статистический и термодинамический методы изучения вещества
- •Основные положения молекулярно-кинетической теории
- •Масса и размеры молекул
- •Термодинамические параметры. Уравнение состояния идеального газа
- •Основное уравнение молекулярно–кинетической теории газов.
- •Внутренняя энергия идеального газа. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул газа.
- •2. Основы статистической физики
- •Максвелловское распределение молекул по скоростям и энергиям
- •Характерные скорости молекул идеального газа.
- •Экспериментальная проверка распределения Максвелла
- •Распределение Больцмана молекул по потенциальным энергиям
- •3. Элементы квантовой статистики
- •Квантовое состояние. Плотность числа квантовых состояний
- •Принцип тождественности. Фермионы и бозоны
- •Распределение частиц по квантовым состояниям. Виды квантовых статистик
- •1) Бозе–газ
- •2) Ферми-газ
- •4. Внутренняя энергия твердого тела Пределы применимости классической теории твердого тела
- •Фононы. Статистические свойства фононного газа
- •Внутренняя энергия и теплоемкость кристалла. Закон Дебая
- •Литература
Распределение частиц по квантовым состояниям. Виды квантовых статистик
Основной
задачей квантовой статистики является
определение числа
частиц квантового газа, обладающих
значениями энергии от
до
.
Очевидно, что
будет равно произведению числа состояний
в
на среднее число частиц, находящихся в
каждом из этих состояний.
Обычно
вводится функция распределения частиц
по энергиям
,
которая и дает среднее число частиц в
состояниях с энергией от
до
.
Тогда
.
(3.5)
Число частиц с данной энергией и разными спинами учитывается множителем в выражении для плотности состояний (3.3).
Как
следует из предыдущего рассмотрения
характер заполнения квантового состояния
фермионами и бозонами различен, что
определяет различие в их функциях
распределения. Для бозонов - это функция
распределения Бозе-Эйнштейна (
),
а для фермионов - это функция распределения
Ферми-Дирака (
).
Квантовая статистика бозонов была создана в 1924-1925 гг. А.Эйнштейном и индийским физиком Ш.Бозе; квантовую статистику фермионов в 1925-1926 гг. независимо друг от друга разработали итальянский и английский физики-теоретики Э.Ферми и П.Дирак.
Для функций распределения Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака имеем, соответственно, следующие выражения:
,
(3.6)
(3.7)
где
- химический потенциал, равный изменению
внутренней энергии системы при изменении
числа частиц на единицу (в условиях
постоянства объема и энтропии).
Далее остановимся более подробно на каждом из двух типов квантовых газов.
1) Бозе–газ
В этом случае имеет место распределение Бозе-Эйнштейна:
,
(3.8)
где
- среднее число частиц, находящихся в
состоянии с номером
,
– энергия частиц в этом состоянии.
З
начения
химического потенциала
в распределении (3.8) не могут быть
положительными, т.е.
,
ибо в противном случае при
среднее число
оказалось бы отрицательным.
Г
Рис. 3.5
для температуры
представлен на рис. 3.5.
Как видно из рисунка, с уменьшением энергии функция распределения Бозе-Эйнштейна стремиться к бесконечности, т.е. среднее число бозонов в квантовом состоянии быстро растёт. Поэтому можно сказать, что бозоны - “коллективисты”.
Интересный
характер поведения имеет бозе-газ при
.
Химический потенциал бозе-газа при
должен обращаться в нуль. В этом случае
при приближении к абсолютному нулю
числа частиц на квантовых уровнях
будут стремиться к нулю. Исключение
составляют только частицы на нижнем
квантовом уровне
.
Для числа частиц на энергетическом
уровне
при
формула (3.8) приводит к неопределенному
выражению
.
Таким образом, при приближении к абсолютному нулю бозе-частицы все более и более будут накапливаться на нижнем энергетическом уровне и, наконец, все они окажутся на нем при .
Это явление получило название бозе-эйнштейновской конденсации. Разумеется, такая «конденсация» не имеет ничего общего с конденсацией пара в жидкость.
