Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego: kondensacja Bosego- Einsteina

Podobne dokumenty
Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego i Fermiego

WYKŁAD 15. Gęstość stanów Zastosowanie: oscylatory kwantowe (ª bosony bezmasowe) Formalizm dla nieoddziaływujących cząstek Bosego lub Fermiego

Wykład 12. Rozkład wielki kanoniczny i statystyki kwantowe

Fizyka statystyczna Zwyrodniały gaz Fermiego. P. F. Góra

Rzadkie gazy bozonów

Fizyka statystyczna Gaz Bosego w wielkim zespole kanonicznym. P. F. Góra

Statystyki kwantowe. P. F. Góra

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

ELEMENTY FIZYKI STATYSTYCZNEJ

Termodynamiczny opis układu

Układy statystyczne. Jacek Jurkowski, Fizyka Statystyczna. Instytut Fizyki

Fizyka statystyczna Zespół kanoniczny i wielki zespół kanoniczny Statystyki kwantowe. P. F. Góra

Termodynamika. Część 11. Układ wielki kanoniczny Statystyki kwantowe Gaz fotonowy Ruchy Browna. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Elementy fizyki statystycznej

w rozrzedzonych gazach atomowych

Streszczenie W13. pułapki jonowe: siły Kulomba. łodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów. 9 pułapki Penninga, Paula

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

Nierównowagowe kondensaty polarytonów ekscytonowych z gigantycznym rozszczepieniem Zeemana w mikrownękach półprzewodnikowych

Zadania z Fizyki Statystycznej

(obserw. na Ŝywo emisji/abs. pojed. fotonów w pojed. atomach) a) spontaniczne ciśnienie światła (rozpraszają en. chłodzą)

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

S ścianki naczynia w jednostce czasu przekazywany

1 Rachunek prawdopodobieństwa

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Streszczenie W13. chłodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów. pułapki jonowe: siły Coulomba

Rozkłady statyczne Maxwella Boltzmana. Konrad Jachyra I IM gr V lab

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

Wielki rozkład kanoniczny

Temperatura, ciepło, oraz elementy kinetycznej teorii gazów

FIZYKA STATYSTYCZNA. d dp. jest sumaryczną zmianą pędu cząsteczek zachodzącą na powierzchni S w

Fizyka statystyczna. This Book Is Generated By Wb2PDF. using

Fizyka statystyczna Fenomenologia przejść fazowych. P. F. Góra

Termodynamika. Część 12. Procesy transportu. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

Stara i nowa teoria kwantowa

wymiana energii ciepła

ĆWICZENIE 22 WYZNACZANIE CIEPŁA PAROWANIA WODY W TEMPERETATURZE WRZENIA

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Spis treści. Przedmowa Obraz makroskopowy Ciepło i entropia Zastosowania termodynamiki... 29

CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ

1.6. Falowa natura cząstek biologicznych i fluorofullerenów Wstęp Porfiryny i fluorofullereny C 60 F

Temperatura i ciepło

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Astrofizyka teoretyczna II. Równanie stanu materii gęstej

Cząstki Maxwella-Boltzmanna (maxwellony)

pułapki jonowe: siły Kulomba łodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów pułapki Penninga, Paula pojedyncze jony mogą być pułapkowane i oglądane

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Rozwiązania zadań z podstaw fizyki kwantowej

Wykład Praca (1.1) c Całka liniowa definiuje pracę wykonaną w kierunku działania siły. Reinhard Kulessa 1

Podstawowe pojęcia Masa atomowa (cząsteczkowa) - to stosunek masy atomu danego pierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do masy 1/12

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Najzimniejsze atomy. Tadeusz Domański. Instytut Fizyki, Uniwersytet M. Curie-Skłodowskiej w Lublinie.

zastosowanie w komputerach kwantowych? przeskoki kwantowe (obserw. na żywo emisji/abs. pojed. fotonów w pojed. atomach)

Oddziaływania fundamentalne

Termodynamika Część 3

Transport elektronów w biomolekułach

Seria 2, ćwiczenia do wykładu Od eksperymentu do poznania materii

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

13.1 Układy helopodobne (trójcząstkowe układy dwuelektronowe)

Gazy kwantowe. Jacek Jurkowski, Fizyka Statystyczna. Instytut Fizyki

Komputerowe modelowanie zjawisk fizycznych

Wstęp do astrofizyki I

kondensat Bosego-Einsteina

WYBRANE ZAGADNIENIA Z TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA NIEZALEŻNE OD CZASU

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Fizyka statystyczna doskona ego gazu bozonów

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Stany materii. Masa i rozmiary cząstek. Masa i rozmiary cząstek. m n mol. n = Gaz doskonały. N A = 6.022x10 23

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Rozkłady: Kanoniczny, Wielki Kanoniczny, Izobaryczno-Izotermiczny

CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie II ( marzec/kwiecień, 2013)

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

III.4 Gaz Fermiego. Struktura pasmowa ciał stałych

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Nadpłynność i nadprzewodnictwo

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

5. Ruch harmoniczny i równanie falowe

VII. CZĄSTKI I FALE VII.1. POSTULAT DE BROGLIE'A (1924) De Broglie wysunął postulat fal materii tzn. małym cząstkom przypisał fale.

Zadania z mechaniki kwantowej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

W poszukiwaniu najniższych temperatur

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wykład FIZYKA I. 15. Termodynamika statystyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Jednowymiarowa mechanika kwantowa Rozpraszanie na potencjale Na początek rozważmy najprostszy przypadek: próg potencjału

Warunki izochoryczno-izotermiczne

Centralne twierdzenie graniczne

Recenzja pracy doktorskiej mgr Tomasza Świsłockiego pt. Wpływ oddziaływań dipolowych na własności spinorowego kondensatu rubidowego

Elektronowa struktura atomu

Wykład Pole elektryczne na powierzchniach granicznych 8.10 Gęstość energii pola elektrycznego

Dr Andrzej Bąk Wykład KRIOGENIKA

Transkrypt:

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego: kondensacja Bosego- Einsteina

Silnie zwyrodniały gaz bozonów o niezerowej masie spoczynkowej Gdy liczba cząstek nie jest zachowywana, termodynamika nieoddziaływujących bozonów jest bardzo prosta bo znika potencjał chemiczny (patrz termodynamika fotonów ) Jednak w układzie z ustaloną liczbą cząstek (w naszym przypadku średniej liczby cząstek ) ten, jakby się wydawało niewinny formalizm prowadzi do niezwykłych przewidywań, nie mających odpowiedników dla fermionów, czy fizyki klasycznej.

oczywiście Zatem przy załoŝeniu

PRZYPOMNIENIE zliczania stanów w przypadku gęsto połoŝonych poziomów energetycznych

stąd

Wygodniej odnieść się do jednostek atomowych, wtedy

Poprawki od statystyk kwantowych. Szczegóły rozwinięcia

Dowód:

Dowód

Ponadto ostatnim razem pokazaliśmy, Ŝe dla nierelatywistycznych bozonów i fermionów zachodzi

wyprowadzenie w dodatku

wnioski Otrzymaliśmy bardzo waŝny wynik

potencjał chemiczny rośnie z malejąca temperaturą

N ( T, V, z) 2πV 3 / 2 = (2m) σ 3 h 0 dε z 1 1/ 2 ε exp{ βε } 1 + 1 z z z=exp{bm}- tzw. parametr zwyrodnienia

0 * 2 3/ 3 1 ) ( N N z z z g V N + = + = λ R n z x z dx x n z g n n Γ 1 0 1 } exp{ ) ( 1 ) ( 0 1 1

Średnia liczba cząsteczek zachowana róŝnica między N i N * obsadza stan podstawowy.

= Dla bozonów zawsze: µ <ε 0 Zatem n moŝe być dowolnie duŝe jeśli róznica 0 ε µ 0

n 0 1 mamy przejście fazowe dla T =T 0 (to przejście nazywa się kondensacją Bosego Einsteina) 1 T/T 0 Jest to kondensacja molekuł w stanie podstawowym o pędzie k=0

Funkcje termodynamiczne kondensatu ρ = N V = 2 πσ J 2 m k B T 0 h 2 BE chemical potential N 3ê2 0 x 1ê2 e x βµ 1 x -2 mêhkbtcl -4-6 0 1 2 3 4 5 TêT c T/T 0

Obsadzenia poziomów w f-cji energii 5 BE occupation number 4 3 1.1 T/T 0 êê n 2 1 2 5 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 êhk B T c L

Energia wewnętrzna Przyczynek dają jedynie cząstki o energii > 0 V T 5ê2 dla T T 0

Równanie stanu p = 2 3 i j 2 πσ H2 ml 3ê2 Hk k h 3 B TL 5ê2 0 x 3ê2 e x βµ 1 xy z { T 5ê2 H dla T T 0 ; niezaleŝnie od V!L ρ = N V = 2 πσ J 2 m k B T h 2 N 3ê2 0 x 1ê2 e x βµ 1 x

p 0 v 5ê3 cząstki o zerowym pędzie nie wywieraja cisnienia; przy spręŝaniu więcej cząstek przechodzi do stanu podstawowego. p p T 5ê2 T 2 > T 1 T 1 v

KBE jest przejściem I-szego rodzaju J d p d T N wzdłóŝ krz. współ. = H T 0 V Hr. ClapeyronaL H 0 Jest to dosyć niezwykłe przejście fazowe I-szego Rodzaju - układ ma jednorodną makroskopową gęstość, a nie dwie róŝne gęstości jak np. dla cieczy i gazu Kondensacja zachodzi w przestrzeni pędów: wszystkie cząsteczki kondensatu mają zerowy pęd.

Ciepło właściwe C V = J E T N V T 3ê2 T < T 0 C V HT = T 0 L > 1.925 k B N > 3 2 k B N HT L C V T V,T T 0 J C V T N V,T T 0 + = 2.89 Nk B T 0 T < T 0 = 0.77 Nk B T 0 HT > T 0 L Zatem w cieple właściwym mamy ostrze w temperaturze T = T 0

KBE przewidziana była przez Einsteina w 1924, warunkiem istnienia kondensatu jest, aby temperaturowa długość fali de Brogli a była porównywalna z odległościami międzyatomowymi C V Nk B 3/2 T 3ê2 Granica klasyczna 3/2 1 T T 0

Nadpłynność w ciekłym helu ma związek z KBE Dla T =4.22K staje się cieczą Dla T 0 = 2.17 staje się nadciekły London w 1938 zaproponował, Ŝe nadciekłość to KBE Z modelu nieoddziaływujących bosonów T 0 = 3.15 K Stan nadciekły jest daleki od stanu nieoddz. bosonów, frakcja nadciekła nie dąŝy do 100%, a stabilizuje się wokół znacznie mniejszych wartości (~10%)

KBE Logarytmiczna rozbieŝność Ciekły hel: Przejście l Maleje jak T 3

W 1995 dowiedziono istnienia KBE (E. Cornell, National Institute of Standards and Technology, Boulder, Colorado) dla ultrazimnego gazu atomów rubidu o małej gęstości, zamkniętych w atomowych pułapkach. Analogiczny eksperyment dla atomow Li wykonano w Houston (R. Hullet, Rice University, Houston, Texas) M = 87 jm T 0 = 8.57 10 8 średnia odległość = 4641.6 A o