Transcript n 1 F
Fermi-Diracstatistiken vid olika temperaturer n F 1 F = Fermienergin Låg T Hög T T=0 Fermi - Dirac fördelning vid olika temperaturer Partikel i boxen Tillåtna våglängder: 2L n n Tillåtna rörelsemängder (de Broglie): h hn pn n 2L För alla 3 rymdkoordinater gäller: hn x px 2L py hn y 2L hn x pz 2L px 2 p y 2 pz 2 p2 h2 2 2 2 n n n x y z 2m 2m 8mL2 När man har Fermi-Dirac statistik, gäller för Fermienergin: nz h 2 n max 2 F 8mL2 max nx2+ny2+nz2 Maxenergin formar en åttondel av en kulyta med r = n2. Volumen är: 4n max 3 n max 3 N(n) 38 6 nx ny När vi fyller de tillstånd med partikler med halvtalig spin, t. ex. elektroner, får vi plats för 2 elektroner per tillstånd med olik spin: n max N 2N(n) 3 3 n max 2 3N 23 Insättning i formeln för Fermienergin utgör: h n max h 3N F 2 8mL 8mL2 2 2 2 23 h 3N 8m V 2 23 med V L3 Energin av hela ensemblen är: U2 (n) 2 (n)dn dn dn x nx 2 partikler per tillstånd U2 U2 2 ny y nz Övergång till polarkoordinater 2 2 n max (n)n 2 sin dn d d 2 d sin d 0 n max z n max (n)n 2 dn 0 0 n max 5 h 2 U 40mL2 n 4h 2 dn 2 8mL n max 3 N 3 n max 5 h 2 N F 3 8mL2 0 (n)n 2dn 0 n 2h 2 med (n) 8mL2 h 2 n max 2 F 8mL 2 3 U N F 5 Genomsnittliga energin av en partikel är 60 % av Fermi-energin. Antal av tillstånd per energi n max U h 2n 2 8mL2 (n)n dn 2 0 dn 8mL2 1 d h2 2 8mL2 n h2 8mL2 1 dn d 2 h 2 3/ 2 2 8mL 8mL 1 8mL U 2 d 2 d 2 h h 2 2 h 0 0 F 2 F U g()d 0 2 F 8mL2 3 / 2 med g() 2 2 h g() är ett mått hur många tillstånd finns per energi Graf av g() vid T=0 g() F < F alla tillstånd fullt ockuperad > F ingen tillstånd ockuperad FD vid laga temperaturer Vid T=0 räcker det att summera alla tillstånd från 0 till Fermikanten för att få antalet av partikler: F N 2 g() d g(e) = Antal av tillstånd per energi 0 Vid laga T måste troligheten att tillståndet är ockuperad beaktas: N 2 g()n(FD)d g() 0 0 1 1 e U 2 g()n(FD)d g() 0 ( ) / kT 0 d 1 1 e ( ) / kT d Graf av g() vid T>0 g() T=0 T>0 F Photon i boxen Tillåtna våglängder: 2L n n Tillåtna energier hc hnc 2L BE statistik för fotoner n(BE) 1 e( ) / kT 1 Om man betraktar en absorptions (eller emissions) process av en foton genom en elektron e- + hn eså gäller i jämnvikt: (e-) + (hn) = (e-) (hn) = 0 n(BE fotoner ) 1 e / kT 1 1 e nhn / kT 1 Planckfördelning I 3 dimensioner: hnc 2L hc n x 2 n y 2 n z 2 2L 2 oberoende polarisationer per energi U2 nx / 2 / 2 ny nz hcn 1 n(BE) hcn / 2LkT L e 1 n x ,n y ,n z 3 hcn 1 hcn 1 2 U dn d d n sin hcn / 2LkT hcn / 2LkT L e 1 2 L e 1 0 0 0 0 d hc dn 2L hcn 2L U 0 2L dn d hc hcn 1 1 3 dn n hcn / 2LkT d hcn / 2LkT 2 L e 1 e 1 0 3 8L h c n 1 8L3 3 d d 3 3 3 / kT 3 3 / kT h c 8L e 1 h c e 1 0 0 3 3 U 3 3 8V kT 4 / kT e / kT 1 h 3 c3 0 8 kT x 8 kT U dx 3 3 x 3 3 V 0 hc e 1 15h c 4 Med x=/kT 3 3 5 d( / kT) 4 med 0 L3=V x3 4 dx x e 1 15 Fotonpassering genom ett hål Rsind Rd Rsin R cdt R=ct Röda volymen: Rd R sin d cdt cR sin d d dt 2 Alla fotoner kommer inte att passera hålet , bara de som har rätta vinkeln. Rd R Acos cdt R=ct A Energiförlust: Fotonenergi i volym (U/V) trolighet av passering (Pp) i tidsintervall dt. U U(volym) (volym) V U 2 cR sin d d dt V A cos Pp 4R 2 Energin som passerar med fotoner genom hålet: U (volym) Pp V U 2 A cos E(pass) cR sin d d dt V 4R 2 E(pass) För totala energiförlusten gäller: 2 /2 U Ac E(tot) d V 4 0 0 U Ac d cos sin dt V 2 /2 d sin cos dt 0 8 kT Ac 2 kT Uc E(tot) dt dt Adt 3 3 3 2 V4 15h c 4 15h c 5 4 5 4 P E(tot) 2 kT 4 T A Adt 15h 3 c 2 5 4 Lag av Stefan-Boltzmann, är Stefan-Boltzmann-konstanten 5.67 x 10-8 Wm-2K-4 Svarta strålare Betrakta en strålare med samma T och samma yta som hålet: T(box)=T(strålare) Om strålningen av boxen eller strålaren är intensivare, skulle en av dem uppvärmas men den andra svalnas omöjligt. T(box)=T(strålare) Om strålningen en av dem är intensivare vid en viss våglängd, skulle man åstådkomma samma situationen med hjälp av en filter. Strålningen av en svart strålare har samma spektrum och samma intesitet som den från ett hål. Jorden som svart strålare Intensiteten av solstrålningen är 1370 W/m2, så kallade solarkonstanten. Jordtvärsnittet är R2. Intensiteten av instrålning av solen är: P(in) solarkons tan t R 2 Om man betrakta jorden som svarta strålare, så gäller P(ut) AT 4 4R 2 T 4 I jämnvikt är P(in)=P(ut): solarkons tan t R 2 4R 2 T 4 1/ 4 solarkons tan t T 4 279K Men: Jorden är ingen svart strålare, men reflektera 30 %. Denna förlust kompenseras med växthuseffekten. Månen som svart strålare Månen saknar atmosfär, därför finns ingen konvektiv värmetransport. Om man antar lodrätt infall av solstrålen (på månekvatorn) och vet att månen reflekterar 7 % av infallande ljuset, är infallsintensiteten på 1m2: P(in) solarkons tan t 1 0.93 Månen är ingen perfekt svart strålare, den emitterar bara 96 % av ljuset som den skulle som svart strålare, så för 1 m2 är: P(ut) 0.96 T 4 I jämnvikt gäller: P(ut) P(in) 0.96 T 4 0.93 (solkons tan ten) 0.93 (solkons tan ten) T . 4 0.96 1/ 4 391 K som överensstämmer ganska bra med den uppmätta temperaturen 400K. Debyemodellen av fast kropp n=1 n=2 Vi betraktar en endimensionskristall. Kristallatomer kan utföra vibrationer med följande vaglängder: 2L n För tillåtna energier gäller: n=3 hcs hcs n 2L cs = utbredningshastgheten av vibrationer = ljudhastighet n 1 e / kT 1 1 ny e hcsn / 2LkT 1 U i tre dimensioner: n U3 nx ny nz Vibrationer kan händer i 1 longitudinal och 2 transversala moder, därför inkludras en faktor 3. Området av tillåtna tillstånd har formen av en tärning i nx-ny-nz rum, Debye gjorde approximation med en attondel av en kula med samma volym. Volumen av kulattondelen måste utgör N, därför gäller: nx nz Debye-approximation 4(n max )3 (n max )3 N 38 6 1/ 3 n max 6N /2 n max U3 3 U 2 n2 0 e / kT d d n 2 sin dn 0 n max /2 0 0 3 dn 1 2 n max 0 e / kT 1 hcs nhcs n3 dn med 2L e nhcs / 2LkT 1 2L 3 nhcs n max x max 3 8k 4 T 4 L3 2LkT nhcs 12k 4 T 4 V x3 d dx nhcs / 2LkT 3 3 3 3 x 2 0 h cs e 1 2LkT h cs e 1 0 L=V1/3 1/ 3 x max n max hcs hcs 6N 2LkT 2LkT 12k T V U h 3 cs 3 4 4 TD / T 0 1/ 3 hcs 6N 2kT V x 12k V 4 dx NkT ex 1 h 3 cs 3 N 3 3 TD T TD / T 0 3 9 9 8k 3V 12k 3 V 3 3 3 TD 6Nh cs Nh 3 cs 3 x 9NkT dx x e 1 TD 3 4 TD / T 0 x3 dx x e 1 Vid höga temperaturer gäller: 9NkT U TD 3 9NkT U TD 3 4 TD / T 4 TD / T 0 0 x3 dx x e 1 när T 3 x 9NkT dx 1 x 1 TD 3 TD är x 4 TD / T 0 1 och e x 1 x 2 Vid laga temperaturer: 9NkT U TD 3 när T 4 TD / T 0 9NkT TD är U TD 3 x3 dx x e 1 4 0 3 9NkT 1 TD x dx 3NkT 3 TD 3 T 4 x3 94 NkT 4 dx x e 1 15TD 3 34 NkT 4 U 5TD 3 Värmekapacitet av fast kropp Hög T U 3NkT U CV 3Nk T CV/3Nk 1.0 0.5 Lag T 34 NkT 4 U 3 5TD 12 NkT CV 5TD 3 4 0.2 3 0.4 0.6 0.8 T/TD Värmekapaciteten av en fast kropp 1.0 Ising modell av en ferromagnet I en paramagnet tenderar dipolmomenter av atomer att utriktar sig antiparallel till ett externt magnetfält. I en ferromagnet händer utriktningen av dipolmomenter spontant (utan externt fält) parallelt. Vi betraktar först 2 dipolmomenter bredvid varandra. Om vi fixer en till utrikning s=1 (“upp”) så finns s möjligheter s=1 (upp) och s=-1 (ned) för den andra med olika energier: E = E = - E = -s Om vi utvidga den här modellen till en 4x4-atomig planar kristall: Om vi antar alla utriktningar utav den röda (som har 8 grannar) är frusna, så gäller för energier av de två utriktningar vid den : Ened = (5-3)2 och Eupp = -2 Generellt gäller för energin för en dipol: Eupp = sn Eupp = -sn med n = antal av granndipoler och s som deras genomsnittlig utriktning. Zi 1 si Zi e Ei s e i ens ens e ns 2 cosh ns (si ) ens 1 e (1)e 2 cosh ns ens si tanh ns 2sinh ns 2 cosh ns Graf av s och tanh(s) Vid n > 1 Vid n < 1 stabil s s tanh(s) tanh(s) stabil s Enda stabila tillstånd med s = 0 ingen spontan utriktning stabil ostabil Stabila tillstånd med s = 0 spontan utriktning Stabilitetsgränsen ligger alltså vid n = 1: n n 1 T kT kT Tc Tc kallas Curie-Temperatur Ferromagneter visar ferromagnetismen vid T< Tc ,vid T>Tc bara vanliga paramagnetismen. Curietemperaturer Järn Nickel Kobalt Gadolinium 1024 K 627 K 1122 K 280 K Varför är magnetisera järnet sig inte spontant vis rumstemperatur ? Bara några i sma områden (Weiss-områden) utriktar sig dipoler spontant parallelt: Weiss område B Utan externt magnetfält Vid starkt externt magnetfält Vid ett starkt externt magnetfält kan man utrikta Weiss-områden parallelt och tillverka en permanentmagnet.