( ) ( ) Tällöin. = 1 ja voimme laskea energiatason i. = P n missä

Samankaltaiset tiedostot
MALLIVASTAUKSET S Fysiikka III (EST) (6 op) 1. välikoe

Tilastollisen fysiikan luennot

S , FYSIIKKA III (ES), Syksy 2002, LH 4, Loppuviikko 39. Partitiofunktiota käyttäen keskiarvo voidaan kirjoittaa muotoon

Venymälle isotermisessä tilanmuutoksessa saadaan dl = α LdT + df = df AE AE Ulkoisen voiman tekemä työ saadaan integroimalla δ W = FdL :

Mat Tilastollisen analyysin perusteet, kevät 2007

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta. Laaditaan taulukko monisteen esimerkin 3.1. tapaan ( nj njk Pk

d L q i = V = mc 2 q i 1 γ = = p i. = V = γm q i + QA i. ṗ i + Q A i + Q da i t + j + V + Q φ

9. Muuttuva hiukkasluku

. C. C Kirjoitetaan sitten auki lineaarisuuden määritelmän oikea puoli: αt{i c1 } + βt{i c2 } = α

r i m i v i = L i = vakio, (2)

Monte Carlo -menetelmä

Markov-prosessit (Jatkuva-aikaiset Markov-ketjut)

TILASTOLLISEN MEKANIIKAN LUENNOT KEVÄT 2008

3.5 Generoivat funktiot ja momentit

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Tilastollinen päättely II, kevät 2018 Harjoitus 6A Ratkaisuehdotuksia.

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Miehitysluvuille voidaan kirjoittaa Maxwell Boltzmann jakauman mukaan. saamme miehityslukujen summan muodossa

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Johdatus diskreettiin matematiikkaan (Syksy 2008) 4. harjoitus Ratkaisuja (Jussi Martin)

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Tehtävä 2 Todista luennoilla annettu kaava: jos lukujen n ja m alkulukuesitykset. ja m = k=1

III KLASSINEN TILASTOLLINEN MEKANIIKKA... 48

. g = 0,42g. Moolimassat ovat vastaavasti N 2 :lle 28, 02g/ mol ja typpiatomille puolet tästä 14, 01g/ mol.

Kvanttifysiikan perusteet 2017

TILASTOLLISEN MEKANIIKAN LUENNOT KEVÄT 2008

Mat /Mat Matematiikan peruskurssi C3/KP3-I Harjoitus 2, esimerkkiratkaisut

Jaksolliset ja toistuvat suoritukset

1. Luvut 1, 10 on laitettu ympyrän kehälle. Osoita, että löytyy kolme vierekkäistä

VÄRÄHTELYMEKANIIKKA SESSIO 23: Usean vapausasteen vaimenematon ominaisvärähtely osa 1

Venymälle isotermisessä tilanmuutoksessa saadaan AE AE

Olkoot X ja Y riippumattomia satunnaismuuttujia, joiden odotusarvot, varianssit ja kovarianssi ovat

MODERNIN FYSIIKAN LUENNOT KEVÄT 2007 OSA I TILASTOLLINEN MEKANIIKKA

III KLASSINEN TILASTOLLINEN MEKANIIKKA... 48

Puupintaisen sandwichkattoelementin. lujuuslaskelmat. Sisältö:

6. Stokastiset prosessit (2)

Tilastollinen mekaniikka. Peruskäsitteitä Mikro- ja makrotilat Maxwell-Boltzmann jakauma Bose-Einstein jakauma Fermi-Dirac jakauma Jakaumafunktiot

Varianssianalyysi. Varianssianalyysi. Varianssianalyysi. Varianssianalyysi: Mitä opimme? Varianssianalyysi: Johdanto

3 Tilayhtälöiden numeerinen integrointi

Flow shop, työnvaiheketju, joustava linja, läpivirtauspaja. Kahden koneen flow shop Johnsonin algoritmi

M 2 M = sup E M 2 t. E X t = lim. niin martingaalikonvergenssilauseen oletukset ovat voimassa, eli löydämme satunnaismuuttujan M, joka toteuttaa ehdon

Työn tavoitteita. 1 Johdanto. 2 Ideaalikaasukäsite ja siihen liittyvät yhtälöt

Pyörimisliike. Haarto & Karhunen.

Kvanttimekaanisten joukkojen yhteys termodynamiikkaan

tasapainotila saavutetaan kun vuo aukon läpi on sama molempiin suuntiin

Kvanttimekaanisten joukkojen yhteys termodynamiikkaan

Todennäköisyysjakaumat 1/5 Sisältö ESITIEDOT: todennäköisyyslaskenta, määrätty integraali

POIKKILEIKKAUKSEN GEOMETRISET SUUREET

Tchebycheff-menetelmä ja STEM

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

W Hz. kohinageneraattori. H(f) W Hz. W Hz. ELEC-A7200 Signaalit ja järjestelmät Laskuharjoitukset. LASKUHARJOITUS 5 Sivu 1/7

Galerkin in menetelmä

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

S FYSIIKKA III (ES) Syksy 2004, LH 10. Ratkaisut

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

JOHDATUS LUKUTEORIAAN (syksy 2017) HARJOITUS 1, MALLIRATKAISUT

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 1. viikolle /

b g / / / / H G I K J =. S Fysiikka (ES) Tentti

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

Riemannin sarjateoreema

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Mat Tilastollisen analyysin perusteet, kevät 2007

Sähköstaattinen energia

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Matemaattinen Analyysi

ABTEKNILLINEN KORKEAKOULU

PUTKIKELLON SUUNNITTELU 1 JOHDANTO 2 VÄRÄHTELEVÄN PALKIN TEORIAA. dm Q dx = (1) Matti A Ranta

1, x < 0 tai x > 2a.

Frégier'n lause. Simo K. Kivelä, P B Q A

13. Lineaariset ensimmäisen kertaluvun differentiaalisysteemit

Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 1 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

S , Fysiikka III (ES) Tentti

z z 0 (m 1)! g(m 1) (z0) k=0 Siksi kun funktioon f(z) sovelletaan Cauchyn integraalilausetta, on voimassa: sin(z 2 dz = (z i) n+1 k=0

= E(Y 2 ) 1 n. = var(y 2 ) = E(Y 4 ) (E(Y 2 )) 2. Materiaalin esimerkin b) nojalla log-uskottavuusfunktio on l(θ; y) = n(y θ)2

Lähdemateriaalina käytetty Pertti Louneston kirjaa Clifford Algebras and spinors [1]

Jäykän kappaleen liike

Lohkoasetelmat. Lohkoasetelmat. Lohkoasetelmat: Mitä opimme? Lohkoasetelmat. Lohkoasetelmat. Satunnaistettu täydellinen lohkoasetelma 1/4

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

Täydennetään teoriaa seuraavilla tuloksilla tapauksista, joissa moninkertaisen ominaisarvon geometrinen kertaluku on yksi:

3. Teoriaharjoitukset

V. POTENSSISARJAT. V.1. Abelin lause ja potenssisarjan suppenemisväli. a k (x x 0 ) k M

S Fysiikka III (EST 6 op) S Modernin fysiikan tietokoneharjoitukset (Sf, 2 op )

4. Termodynaamiset potentiaalit

Johdnto Numeers rtsumenetelm ytett ess on oltv stys nden mtemttsst perustest se nden soveltuvuudest j truudest. Tetooneohjelmn on oltv vrheet n j robu

Raja-arvot. Osittaisderivaatat.

III. SARJATEORIAN ALKEITA. III.1. Sarjan suppeneminen. x k = x 1 + x 2 + x ,

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Eksponentti- ja logaritmiyhtälö

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

1974 N:o 622. Vakuutusteknisistä riskeistä johtuvien suureiden laskemista varten käytettävä vakuutuslajiryhmittely. Liite 1.

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

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Joulukuun vaativammat valmennustehtävät ratkaisut

Vakuutusmatematiikan sovellukset klo 9-15

J1 (II.6.9) J2 (X.5.5) MATRIISILASKENTA(TFM) MALLIT AV 6

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Kertausosa. Kertausosa. 4. Sijoitetaan x = 2 ja y = 3 suoran yhtälöön. 1. a) Tosi Piste (2,3) on suoralla. Epätosi Piste (2, 3) ei ole suoralla. 5.

KUNTIEN ELÄKEVAKUUTUS VARHAISELÄKEMENOPERUSTEISESSA MAKSUSSA LÄHTIEN NOUDATETTAVAT LASKUPERUSTEET

LIITE 2. KÄSITELUETTELO

4.0.2 Kuinka hyvä ennuste on?

Työn tavoitteita. 1 Johdanto. 2 Ideaalikaasukäsite ja siihen liittyvät yhtälöt

Transkriptio:

S-445 FYSIIKKA III (Sf) Sysy 4, LH Ratasut LHSf-* ohesen uvan esttämää systeemä Systeemssä on 5 huasta joden yhtenen energa on U = 6ε Kunn energatason degeneraatotejä on Olettaen, että systeem noudattaa Bose-Ensten statstaa, lase (a) unn marotlan (el partton) termodynaamnen todennäösyys W, (b) an marotlohn uuluven mrotlojen yhtesmäärä, (c) energatasojen esmää-räset mehtysluvut ja (d) esmäärästen mehtysluujen summa Ratasu: Kuvaan on mertty a ne marotlat, yhteensä pl, jota toteuttavat energan U = 6e ja huasmäärän = 6 sälymslat Kuhunn marotlaan uuluven mrotlojen määrä saadaan yhtälöstä ( g + n )! P = P = () g! n! Marotla 6 6 4 8 5 6 4 7 6 8 9 8 panotettuna esarvona: ( n ) marotlassa ave Sjottamalla tähän mehtysluvut ja degeneraatotejät saamme ohesen tauluon Mrotlojen luumäärä on verrannollnen tlan termodynaamseen todennäösyyteen Yhteensä mrotloja saadaan 5 pl Marotlojen normtetut todennäösyydet saadaan jaamalla suureet W mrotlojen oonasmäärällä P = W /5 Tällön P = ja vomme lasea energatason = (,,,,6 = ) esmääräsen mehtysluvun ( n ) = P n mssä = ave n on energatason mehtysluu Lasemalla esarvot saamme seuraavat esmääräset mehtysluvut: (esmäärästen mehtysluujen summa on tetenn = 6, numeersen taruuden puttessa ) ( n ) ave Mrotlojen luumäärä W ave ave ave 4 ave 5 ave 6 ave n ave,66,79,9,4,4,5,66 5 n ( n ) ( n ) ( n ) ( n ) ( n )

LHSf-* Ulosessa magneettentässä B systeemn eletronella on as mahdollsta energatasoa E = µ BB, E = + µ BB, mssä µ B on Bohrn magneton Systeem on termsessä tasapanossa lämpötlan ollessa T Olettaen, että eletronen magneettsten altlojen mehttymnen noudattaa MB statstaa (a) osota, että parttofunto on µ B cosh B Z = ja (b) johda lausee suurelle U, S ja M Estä energatasojen T mehtysluvut lämpötlan ja enttävomauuden funtona äyttäen Mawell-Boltzmann jaaumaa (Lue luu 58) Ratasu: a) Mertään ε = µ B B Alemman tlan energa on ss E = ε ja ylemmän E = ε Parttofunto lasetaan tavallseen tapaan: Z = e + e = cosh ( ε / T ) = cosh T b) Mehtysluvut: n e e n Z cosh / T cosh / T e c) Ssäenerga: ε / T ε / T µ B B + ε / T ε / T ε = = ; = / T ( ε ) ( ε ) ( ε T ) ( ε T ) d snh / U = T ( ln Z ) = ε = ε tanh ε / T dt cosh / Huomataan, että ssäenerga votasn lasea myös lauseeesta: + ε / T ε / T U = ne + ne = ( ε ) e + ( ε ) e = ε tanh ( ε / T ) Z Z Magnetotumnen (lasetaan postvses magneettentän suuntaan) M = nµ B nµ B = µ B ( n n ) = µ B tanh ( ε / T ) Tutmalla esponenttfunton äyttäytymstä T:n funtona ptämällä B vaona huomataan, että un T U ε ja M µ B ts a magneettset momentt asettuvat entän suuntaan alhasssa lämpötlossa Vastaavast un T huomataan, että U ja M Lämpöle tuhoaa ulosen entän luoman orentaato efetn Entropaa lasettaessa on huomattava entropan jaautumnen translaatoleen ja huasen ssäsen leen entropos U Z S = + ln + T LHSf-* Maalmanaeuden taustasätely vastaa K lämpösen mustanappaleen sätelyä (Taustasätelyn usotaan olevan seurausta aluräjähdysestä) (a) Johda fotonen luumäärätheys lämpötlan funtona Käytä apuna tulosta ( ) taustasätelyn fotontheys Ratasu: e d,4 (b) Lase

(a) Johdetaan alus yhtälö fotonen määrälle Opetusmonsteen yhtälöt (57) ja (58) antavat fotonen luumäärän energavälllä [ E, E + de] dn 8πV E = E T de h c e Krjotetaan fotonen määrä taajuuden avulla, uten opetusmonsteessa Plancn sätelylan yhteydessä dn dn de 8πV E = = h E T dν de dν h c e, () 8πV E 8πV ν = = E T h T h c e c e ν osa fotonn energa on E = hν ja de dν = h Tehdään seuraavas muuttujan vahto hν T T = dν = d ja ν = T h h Sjottamalla tämä yhtälöön () saadaan fotonen määrälle yhtälö 8πV T = d c h e Tauluorjasta löytyy ntegraalaava ( n = ) n I ( n) = d = ζ ( n + ) Γ ( n + ) (, ) (! ),4, e mssä ζ ( n) Remannn zeetafunto ja Γ ( n) on gammafunto Fotontheydes saadaan ss 8π 7 n = =, 4 T, K m T V h c (b) Sjotetaan lämpötla T = K edellseen yhtälöön Saadaan 8π 7 n = =, 4 T, T K m V h c 8 5,5 m LHSf-4* Tarastellaan aasua, jou oostuu äärettömän ovsta a sätesstä pallosta Pallojen parvuorovautus on, r rj > a V ( r rj ) =, r rj < a Lase systeemn esmääränen energa lämpötlan ja huasmäärän funtona Opastus: Lue opetusmonsteen luu reaalaasusta Muodosta erllset parttofuntot lämpöleelle ja parvuorovautuselle Koonasparttofunto saadaan näden tulosta Kesmääränen energa saadaan parttofunton logartmn dervaatan avulla Ratasu: Reaalaasun suur parttofunto määrtellään ntegraalna yl oo vaheavaruuden: E( r, r, v,, v ) / T ZG = d d d d d d e! r r r v v v ()

ntegront yl nopeusavaruuden on selväst helpomp tehtävä, jos oletamme, että moleyylen le-energa rppuu van nopeuden tsesarvosta ja että moleyylen välset vomat evät rpu moleyylen nopeudesta vaan ovat luonteeltaan staattsa voma Tällön vomme rjottaa mv / T mv / T ZG = e d e d! v v mv / T E pot ( r, r ) / T e d d d d e v r r r () Kosa neettnen energa rppuu anoastaan nopeuden tsesarvosta vodaan ntegront yl nopeusvetorn orvata ntegraallla yl nopeusvetorn tsesarvon (ta le-energan) saadaan / mv / T mv / T / E / T v 4π 4π m / π T e d = v e d v = E e de = 4 π m Suures parttofuntos saadaan ss / / ZG = 4 π π T d d d e! m Lasetaan seuraavas potentaalenergan ssältävä ntegraal () ( r, r ) / T pot r r r (4) ( r, r ) / T pot d d d e E I= r r r (5) Integraaln arvo on johdettu opetusmonsteessa Tuloses saadaan E mssä α I = V + V, (6) f ( r)4π r dr α = (7) Yhdstämällä saadaan β E f r r dr ( e ) r dr α = 4 π = 4π a e r dr e r dr π = 4π + 4 4 = a + = 4π π 4 π a α I V V = + = V V Suures parttofuntos saadaan ss / / a Z π G 4π π ( T ) = V! m V / = C( V ) T Kesmääränen energa saadaan parttofunton logartmn dervaatasta a a

ln( Z) E = T T / = T ln ( C( V ) T ) T = T ln ( C( V )) + ln ( T ) T T T T = = LHSf-5* Tarastellaan eletronen muodostamaa systeemä alhasessa lämpötlassa termsessä tasapanossa, un systeem on sähöentän E ja theysgradentn n( ) vautusen alanen Johda dffuusovaon D lausee sähönjohtavuuden σ ja Fermenrgan funtona Opastus: Fermenerga rppuu eletrostaattsesta potentaalsta yhtälön EF = µ + eφ ( ) muaan Tasapanossa sähöentän aheuttama vrta ja theysgradentn aheuttama vrta umoavat tosensa Dffuusovrta (huasvrtaa) rppuu dffuusovaosta ja theysgradentsta Ratasu: Sähövrrantheys rppuu sähöentästä ja johtavuudesta seuraavast js = σe = σ φ ( ) Dffuusovrran (huasvrta) theys taas saadaan yhtälöstä j D = D n( ) (HUOM: jäljempänä lsää dffuusosta) Tasapanossa sähöentän ja theysgradentn aheuttamat huasvrrat umoavat tosensa js / e + jd = σ φ( ) () = D n( ) e Tasapanotlanteessa emallnen potentaal e rpu paasta E = µ + e φ( ) = F µ µ n µ () e φ ( ) = µ = = = n nt nt Sjotetaan yhtälö () yhtälöön () e σ φ ( ) µ = n( ) σ e n e µ D n ( ) = n ( ) σ n σ µ σ EF D = e n T e n T Fermenerga saadaan huastheydestä yhtälöllä T T

( π ) / / EF = n m EF π π = = n m m Dffuusovaos saadaan EF D σ σ π E = / / F e n e m / 4/ / / n E / / F T /

DIFFUUSIOSTA Kun huaset (eletront) luvat, ne törmälevät tosnsa satunnasest Peräästen törmäysten esmääränen välmata on nmeltään vapaa mata l Kesmäärästä aaa törmäysten välllä mertään τ :llä Ysttäset huaset luvat törmäysten välllä yhtä suurella todennäösyydellä mhn tahansa suuntaan, mäl huasn e vauta ulosta vomaa (esm sähöenttä) Mäl huasten onsentraato on paasta rppuva, syntyy onsentraatogradentn aheuttama dffuusovrta Dffuuso tapahtuu suuremmasta theydestä penempään ja se pyr tasottamaan theyseroja Huasvrran suuruus saadaan yhtälöllä l dn( ) dn( ) jd ( ) = D τ d = d, mssä on oletettu, että huastheys rppuu van -oordnaatsta Dffuusovrran yhtälö vodaan perustella seuraavalla tarastelulla Tarastellaan alus ntä huasa, jota sjatsevat tasolla = vτ, joden nopeuden tsesarvo -suunnassa on v ja theys nopeusysöä ohden n ämä huaset muodostavat hetellä t = τ tason = läp ulevan huasvrran, jona suuruus pnta-ala- ja nopeusysöä ohden on v n ( v τ ) (tejä / seuraa stä, että puolet huassta luu postvsen -aseln suuntaan) Vastaavast oealta tasolta = vτ nopeudella v saapuvat huaset muodostavat vrran v n ( v τ ) ettohuasvrta pnta-ala- ja nopeusysöä ohden nälle huaslle vodaan rjottaa muotoon jd = vn ( vτ ) vn ( vτ ) = v [ n ( vτ ) n ( vτ )] n( vτ ) n ( vτ ) dn ( ) = vτ v τ v vτ d Koonasdffuusovrta saadaan edellsestä ntegromalla nopeuden yl: dn( ) d vn dv jx = jddv τ v dv = τ d d dn τ < v > dn l dn = τ < v > = d d τ d Dffuusovao vodaan ss määrtellä vapaan matan avulla Kosa vapaa mata on l = vthτ, mssä v th on esmääränen termnen nopeus, rppuu dffuusovao myös lämpötlasta Dffuusovao vodaan määrtellä myös muodossa (Enstenn relaato) BT µ D =, e mssä µ = qτ / m on luvuus Varausenuljettajen esmääränen marosooppnen nopeus v drft on luvuuden ja sähöentän avulla lmastuna vdrft dffuusovrran ysöt ovat = µ E Dffuusovaon ja

[ ] D = m s [ j ] D = m s