PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Samankaltaiset tiedostot
FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

10. Kvanttikaasu. Statistinen fysiikka, osa B (FYSA242) Tuomas Lappi kl Huone: FL240. Ei kiinteitä vastaanottoaikoja.

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

11 Kvantti-ideaalikaasu

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Jukka Tulkki 8. Laskuharjoitus (ratkaisut) Palautus torstaihin 3.4 klo 12:00 mennessä. x 2

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

TILASTOLLISEN KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEITA (AH ) Mikrotilat (kertausta Kvanttimekaniikan kurssilta)

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Miksi tarvitaan tilastollista fysiikkaa?

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

FERMIONIJÄRJESTELMÄT (AH 9.1, 9.2) Metallien johtavuuselektronit

8. Klassinen ideaalikaasu

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

Statistinen fysiikka, osa B (FYSA2042)

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Mustan kappaleen säteily

Hiukkasfysiikan luento Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

6. Yhteenvetoa kurssista

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

BOSONIJÄRJESTELMÄT (AH 8.1, 8.2) Bosekondensaatio

Suurkanoninen joukko

FERMIONIJÄRJESTELMÄT (AH 9.1, 9.2) Metallien johtavuuselektronit

TASAPAINOJAKAUMAT KVANTTIMEKAANISISSA SYSTEEMEISSÄ (AH 5.4, 6.1, 6.4, 6.5) Mikrokanoninen joukko

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 10, ratkaisut (syyslukukausi 2014)

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

8. MONIELEKTRONISET ATOMIT

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

infoa tavoitteet E = p2 2m kr2 Klassisesti värähtelyn amplitudi määrää kokonaisenergian Klassisesti E = 1 2 mω2 A 2 E = 1 2 ka2 = 1 2 mω2 A 2

S Fysiikka III (Est), 2 VK Malliratkaisut (Arvosteluperusteita täydennetään vielä)

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

Tilat ja observaabelit

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

TASAPAINOJAKAUMAT KVANTTIMEKAANISISSA SYSTEEMEISSÄ (AH 5.4, 6.1, 6.4, 6.5) Mikrokanoninen joukko

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

Kvanttifysiikan perusteet 2017

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

4. Termodynaamiset potentiaalit

Suurkanoninen joukko

T H V 2. Kuva 1: Stirling kiertoprosessi. Ideaalisen Stirlingin koneen sykli koostuu neljästä osaprosessista (kts. kuva 1):

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

J 2 = J 2 x + J 2 y + J 2 z.

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

Statistinen fysiikka, osa B (FYSA242)

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

(1) (2) Normalisointiehdoksi saadaan nytkin yhtälö (2). Ratkaisemalla (2)+(3) saamme

Statistinen fysiikka, osa B (FYSA242)

a) Oletetaan, että happi on ideaalikaasu. Säiliön seinämiin osuvien hiukkasten lukumäärä saadaan molekyylivuon lausekkeesta = kaava (1p) dta n =

Kvanttifysiikan perusteet 2017

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Ch7 Kvanttimekaniikan alkeita. Tässä luvussa esitellään NMR:n kannalta keskeiset kvanttimekaniikan tulokset.

KLASSISET TASAPAINOJOUKOT (AH 4.3, , 7.2) Yleisesti joukoista

kertausta edellisestä seuraa, että todennäköisimmin systeemi löydetään sellaisesta mikrotilasta, jollaisia on

j = I A = 108 A m 2. (1) u kg m m 3, (2) v =

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Luku6 Tilanyhtälö. Ideaalikaasun N V. Yleinen aineen. paine vakio. tilavuus vakio

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

η = = = 1, S , Fysiikka III (Sf) 2. välikoe

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

Transkriptio:

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA Kevät 206 Emppu Salonen Lasse Laurson Arttu Lehtinen Toni Mäkelä Luento 2: BE- ja FD-jakaumat, kvanttikaasut Pe 5.4.206

AIHEET. Kvanttimekaanisesta vaihtosymmetriasta seuraava kvanttistatistiikka: Fermin-Diracin ja Bosen- Einsteinin jakaumat. 2. Fermikaasu. 3. Bosonikaasu, Bosen-Einsteinin kondensaatio. 2

OSAAMISTAVOITTEET. Tunnet bosoni- ja fermionistatistiikat, ja osaat soveltaa niitä yksinkertaisiin ongelmiin. Ymmärrät myös missä tapauksissa voidaan käyttää klassista kuvausta, ja milloin kvanttiefekteistä tulee merkittäviä. 2. Tunnet fermikaasun ja bosonikaasun keskeiset ominaisuudet (mm. Bosen-Einsteinin kondensaatio), ja osaat ratkaista niihin liittyviä yksinkertaisia ongelmia. 3

IDENTTISTEN HIUKKASTEN VAIHTO & SYMMETRIA Kaksi identtistä hiukkasta (paikat r ja r 2 ), joita kuvaa aaltofunktio (r, r 2 ). Määritellään vaihto-operaattori ˆP 2 s.e. ˆP2 (r, r 2 )= (r 2, r ). Koska hiukkaset ovat identtisiä, on oltava (r, r 2 ) 2 = (r 2, r ) 2. (r, r2) 2 r r 2 ˆP 2 :n ominaisarvot ovat reaalisia - kaksi mahdollisuutta: on symmetrinen vaihdon suhteen (bosonit): on antisymmetrinen vaihdon suhteen (fermionit): (r 2, r )= (r, r 2 ) (r 2, r )= (r, r 2 ) ˆP 2 4

IDENTTISTEN HIUKKASTEN VAIHTO & SYMMETRIA Yleisemmin: kaksi tilaa 0i ja i. Mahdollisia kaksihiukkastiloja: Ei-identtiset hiukkaset: 0i 0i, i 0i, 0i i, i i. Klassiset identtiset hiukkaset: 0i 0i, i 0i, i i. Identtiset bosonit: 0i 0i, i i, / p 2( i 0i+ 0i i). ˆP 2 / p 2( i 0i+ 0i i) =/ p 2( 0i i+ i 0i) =+/ p 2( i 0i+ 0i i) Identtiset fermionit: / p 2( i 0i 0i i). ˆP 2 / p 2( i 0i 0i i) =/ p 2( 0i i i 0i) = / p 2( i 0i 0i i) Paulin kieltosääntö: 0i 0i ja i i eivät sallittuja fermioneille. 5

PARTITIOFUNKTIO Suurkanoninen partitiofunktio ( N :n ei tarvitse olla vakio): Z = X e (µn E ) Tarkastellaan tilannetta, jossa systeemillä on joukko mahdollisia (yksihiukkas)kvanttitiloja ( i =, 2,... ), joiden energiat ovat E i ja miehitysluvut n i (jolloin tilan i kokonaisenergia on n i E i ): Z = X {n } X X e n i (µ E i ) = {n 2 } {n } 0 koko systeemin tila 0 @ X e n (µ E ) A @ X e n 2 (µ E 2 ) A {n} {n2} sallitut miehitysluvut = Y i X {n i } e n i (µ E i ). Tulos riippuu sallituista miehitysluvuista {n i } (bosonit vs fermionit). 6

PARTITIOFUNKTIO Kaksi fermionia ei voi olla samassa tilassa ( {n i } = {0, } ): Z = Y X e ni (µ Ei) = Y +e (µ E i) i {n i } i ) ln Z = X i ln( + e (µ E i) ). Bosonien miehitysluvuilla ei rajoituksia ( {n i } = {0,, 2, 3,...} ): Z = Y i X {n i } e ni (µ Ei) = Y i = Y i +e (µ E i) +e 2 (µ E i) +... e (µ E i) ) ln Z = X i ln( e (µ E i) ). 7

FD- JA BE-JAKAUMAT Saadaan siis ln Z = ± X ln( ± e (µ Ei) ). i Tilan i keskimääräinen miehitysluku: hn i i = @ ln Z @µ = e (E i µ) ±. + fermionit bosonit Nämä voidaan suoraan tulkita energiajakaumiksi f(e) (= energiaa vastaava keskimääräinen miehitysluku): Fermin-Diracin jakauma: f(e) = e (E µ) + Bosen-Einsteinin jakauma: f(e) = e (E µ) E 8

FD- JA BE-JAKAUMAT Boltzmannin jakauma (E µ) f(e) =e Fermin-Diracin -jakauma: f(e) = e (E µ) + Kuva: Blundell & Blundell Bosen-Einsteinin -jakauma: f(e) = e (E µ) Divergoi, jos µ = E. Miten ymmärrät rajan (E µ) klassiseksi rajaksi? 9

FD- JA BE-JAKAUMAT Boltzmannin jakauma (E µ) f(e) =e Fermin-Diracin -jakauma: f(e) = e (E µ) + Kuva: Blundell & Blundell Bosen-Einsteinin -jakauma: f(e) = e (E µ) Divergoi, jos µ = E. (E µ) µ = k B T ln(n 3 th) ) E k B T ln(n 3 th), n 3 th missä. 0

IDEAALISET KVANTTIKAASUT Jos siis kaasun tiheys on riittävän suuri (s.e. bosoni- ja fermionistatistiikat huomioitava. N = X k n k = Z 0 g(e)de e (E µ) ± n 3 th ei päde), on Lisäksi: jos hiukkasilla on spin S, on huomioitava spindegeneraatio g =2S + (spintilat S, S +,...S). Jos vuorovaikutuksia ei ole, saadaan Z = Y Z 2S+ k = Y ± e k k (E k ±(2S+) µ). Tästä saadaan termodynamiikka esim. laskemalla suuri potentiaali G (kts. B&B esimerkki 30.). Toisaalta miehityslukujen n k = k B T @ @µ ln Z k = e (E k µ) ± avulla voidaan kirjoittaa esim. ja n k E k =. U = X k Z 0 Eg(E)dE e (E µ) ±

IDEAALISET KVANTTIKAASUT g(e) :lle lauseke klassisen ideaalikaasun g(k) :sta, käyttämällä relaatiota E = ~ 2 k 2 /2m, ja huomioimalla g =2S +(B&B 30.): g(e)de = (2S + )VE/2 de (2 ) 2 N:n ja U:n lausekkeista tulee siis N = " (2S + )V (2 ) 2 # 3/2 Z 2m ~ 2 0 3/2 2m. ~ 2 E /2 de z e E ± = (2S + )V 3 th polylogaritmi Li n (x) (kts B&B C.5) [ Li 3/2 ( z)] ja U = " (2S + )V (2 ) 2 # 3/2 Z 2m ~ 2 0 th putkahtaa taas esiin! E 3/2 de z e E ± = 3 2 Nk BT Li 5/2( z) Li 3/2 ( z). Näissä esiintyy z =e µ, eli fugasiteetti. 2

FERMIKAASU Nollalämpötilassa fermionit miehittävät alimmat energiatilat ( 2S +hiukkasta/energiatila) fermienergiaan E F asti. Rajalla!miehitysluvut n k = e (E k µ) +! (µ E k). Kuva: Blundell & Blundell Nähdään siis, että E F = µ(t = 0). Tätä vastaa aaltovektori, s.e. N = Z kf 0 g(k)dk = (2S + )V 2 2 k 3 F 3. Tästä voidaan ratkaista k F ja E F tiheyden n = N/V funktioina: k F k F = apple 6 2 n 2S + /3, E F = ~2 2m apple 6 2 n 2S + 2/3. 3

FERMIKAASU Äärellisissä lämpötiloissa askelfunktio pehmenee. Elektronit metallissa ~ ideaalinen elektronikaasu ( ). S =/2 Määritellään fermilämpötila T F = E F /k B. Tämä on tuhansia kelvineitä useimmille metalleille T =0-raja (askelfunktio) hyvä approksimaatio. lukumääräjakauma Kuva: Blundell & Blundell 4

FERMIKAASU Korjauksia T =0-käytökseen voidaan arvioida Sommerfeldin kehitelmällä (kts. B&B esimerkki 30.4): Z Z µ (E)f(E)dE = (E)dE + 2 d 6 (k BT ) 2 +... de 0 Esim. n = 2 2 n = N/V S =/2 3/2 Z 2m ~ 0 -hiukkasille: E /2 f(e)de 3 2 3/2 2m µ "+ 3/2 2 ~ 8 E=µ kb T µ 2 +...# Toisaalta tiedetään, että T =0:ssa n =[(2m) 3/2 /(3 2 ~ 3 )]E 3/2 F : µ(t ) µ(0) " + 2 8 # 2 2/3 " kb T +... µ(0) µ(0) 2 2 2 kb T +...#. µ(0) µ(t ) µ(0) = E F on hyvä approksimaatio. ( + x) 2 2/3 3 x, x 5

FERMIKAASU Lasketaan vielä elektronikaasun ( S =/2) lämpökapasiteetti: U = V 3/2 Z 2m 2 2 ~ 2 E 3/2 f(e)de 0 = V 3/2 2 2m 5 2 ~ 2 [µ(t )] "+ 5/2 5 2 kb T +...# 8 µ(0) " = 3 5 Nµ(T ) Sommerfeld = 3 5 Nµ(0) " + 2 2 + 5 2 2 2 kb T +...# µ(0) 2 kb T +...# µ(0). / T matalissa lämpötiloissa ) C V = @U @T V = 3 2 Nk B 2 3 k B T µ(0) + O(T 3 ) 6

BOSONIKAASU Bosoneista koostuvaa kaasua. Tarkastellaan tapausta, jossa E = ~ 2 k 2 /2m (ei siis fotoneja). Tällaisen kaasun µ :n on oltava negatiivinen, muuten perustilan ( E =0) miehitysluku divergoi. Siispä 0 <z=e µ <. Mutta mitä voidaan sanoa µ :n arvosta? Kuvat: Blundell & Blundell Bosonikaasulle pätee n 3 th 2S + = Li 3/2(z). Yhtälön vasen puoli kasvaa n:n kasvaessa ja/tai T :n pienetessä. Jos n 3 th 2S + > Li 3/2() = (3/2) = 2.62, yhtälöllä ei ole ratkaisua! (koska z =e µ < ) 7

BOSEN-EINSTEININ KONDENSAATIO Syy: jatkumoapproksimaatio (summa integraali) ei enää toimi perustilan miehitysluvun kasvaessa makroskooppiseksi ( T<T c ): n 3 2/3 th 2S + =2.62 ) T c = 2 ~2 n mk B 2.62(2S + ) Tarkastellaan siis erikseen perustilaa ja muita tiloja, kun T<T c : N = N 0 + N N = Kun T = T c, (2S + )V [ th(t c )] 3 Li 3/2() perustila N = muut tilat (2S + )V 3 th Li 3/2 () n 0 n = N 0 N = N N N = T T c 3/2 Kuva: Blundell & Blundell 8

BOSEN-EINSTEININ KONDENSAATIO Hajahuomiota: Bosen-Einsteinin kondensaatio (toisin kuin klassisen reaalikaasun kondensoituminen nesteeksi) ei seuraa hiukkasten välisistä vuorovaikutuksista (tässä on tarkasteltu ideaalista kvanttikaasua!), vaan puhtaasti bosonien kvanttistatistiikasta ( exchange symmetry ). BE-kondensaatio on kondensaatiota k-avaruudessa (hiukkasia kondensoituu alimpaan energiatilaan), eikä välttämättä ole lokalisoitunut paikka-avaruudessa. Atomien nopeusjakauma loukussa eri lämpötiloissa: kun T T c, suurin osa atomeista on nollanopeuden piikissä. Kuva: Blundell & Blundell 9

BOSEN-EINSTEININ KONDENSAATIO Bosonikaasun sisäenergia U(T ), kun T apple T c (riippuu vain viritystiloista!): N /N =(T/T c ) 3/2 U = 3 2 N k B T (5/2) (3/2) = 3 2 Nk BT (5/2) (3/2) T T c 3/2 Kuva: Blundell & Blundell =0.77Nk B T c T T c 5/2. Kun T>T c, saadaan (tämä nähtiin jo aiemmin) U = 3 2 Nk BT Li 5/2(z) Li 3/2 (z). Vertaa ekvipartitiotulokseen U =3/2Nk B T. 20

BOSEN-EINSTEININ KONDENSAATIO Fugasiteetille ( N = vakio, T>T c ) saadaan n = 2S + 3 th Li 3/2 (z) = 2S + [ th(t c )] 3 (3/2) Kuva: Blundell & Blundell ) T T c = apple (3/2) Li 3/2 (z). Kun T<T c, z =. C V Lämpökapasiteetti :llä on integroituva singulaarisuus, cusp, kohdassa T = T c (harjoitus?). 2