Wykład 12. Rozkład wielki kanoniczny i statystyki kwantowe

Podobne dokumenty
Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Wykład 8 i 9. Hipoteza ergodyczna, rozkład mikrokanoniczny, wzór Boltzmanna

Wielki rozkład kanoniczny

Statystyki kwantowe. P. F. Góra

Fizyka statystyczna Zwyrodniały gaz Fermiego. P. F. Góra

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

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

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego i Fermiego

Układy statystyczne. Jacek Jurkowski, Fizyka Statystyczna. Instytut Fizyki

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego: kondensacja Bosego- Einsteina

Wielki rozkład kanoniczny

1 Rachunek prawdopodobieństwa

Fizyka statystyczna. This Book Is Generated By Wb2PDF. using

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

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

Zadania z Fizyki Statystycznej

Rzadkie gazy bozonów

Termodynamiczny opis układu

Elementy fizyki statystycznej

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

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

ELEMENTY FIZYKI STATYSTYCZNEJ

Zespół kanoniczny N,V, T. acc o n =min {1, exp [ U n U o ] }

Komputerowe modelowanie zjawisk fizycznych

S ścianki naczynia w jednostce czasu przekazywany

TERMODYNAMIKA. Zajęcia 1 ( )

Agata Fronczak Elementy fizyki statystycznej

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

Cząstki Maxwella-Boltzmanna (maxwellony)

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

= = Budowa materii. Stany skupienia materii. Ilość materii (substancji) n - ilość moli, N liczba molekuł (atomów, cząstek), N A

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

Gazy kwantowe. Jacek Jurkowski, Fizyka Statystyczna. Instytut Fizyki

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Gaz Fermiego elektronów swobodnych. Gaz Fermiego elektronów swobodnych

Rozkłady: Kanoniczny, Wielki Kanoniczny, Izobaryczno-Izotermiczny

Wykłady z Fizyki. Kwanty

17.1 Podstawy metod symulacji komputerowych dla klasycznych układów wielu cząstek

Fizyka statystyczna doskona ego gazu bozonów

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Wstęp do astrofizyki I

TERMODYNAMIKA. Zajęcia 1 ( )

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Stara i nowa teoria kwantowa

Przegląd termodynamiki II

Rozkład materiału nauczania

Wykład 4, 5 i 6. Elementy rachunku prawdopodobieństwa i kombinatoryki w fizyce statystycznej

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

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

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

Temperatura, ciepło, oraz elementy kinetycznej teorii gazów

r. akad. 2005/ 2006 Jan Królikowski Fizyka IBC

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Elementy termodynamiki i wprowadzenie do zespołów statystycznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Zadania kwalifikacyjne na warsztaty "Zjawiska krytyczne"

Co to jest model Isinga?

Występują fluktuacje w stanie równowagi Proces przejścia do stanu równowagi jest nieodwracalny proces powrotny jest bardzo mało prawdopodobny.

5. Ruch harmoniczny i równanie falowe

Klasyczna mechanika statystyczna Gibbsa I

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

WYKŁAD NR 3 OPIS DRGAŃ NORMALNYCH UJĘCIE KLASYCZNE I KWANTOWE.

n p 2 i = R 2 (8.1) i=1

Warunki równowagi i rozkład kanoniczny. H0 E 1 EL 8E 1 < W i HE i L ~ E i W 2 E - E 1 W 1 E 1. iloczyn W 2 HE - E 1 L W 1 HE 1 L E 1 = E

FIZYKA STATYSTYCZNA. Liczne eksperymenty dowodzą, że ciała składają się z wielkiej liczby podstawowych

Przyrządy półprzewodnikowe

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

Bozon Higgsa prawda czy kolejny fakt prasowy?

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Wykładnicze grafy przypadkowe: teoria i przykłady zastosowań do analizy rzeczywistych sieci złożonych

Kierunek i poziom studiów: Chemia, drugi Sylabus modułu: Przedmiot A związany ze specjalnością (0310-CH-S2-001) Nazwa wariantu modułu: Termodynamika

Wykład FIZYKA I. 14. Termodynamika fenomenologiczna cz.ii. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

TERMODYNAMIKA I FIZYKA STATYSTYCZNA

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

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Postulaty interpretacyjne mechaniki kwantowej Wykład 6

Ważną rolę odgrywają tzw. funkcje harmoniczne. Przyjmujemy następującą definicję. u = 0, (6.1) jest operatorem Laplace a. (x,y)

WYKŁAD 2. Problem regresji - modele liniowe

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

TERMODYNAMIKA I FIZYKA STATYSTYCZNA

Atomowa budowa materii

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

Fizyka Statystyczna 1

Od termodynamiki klasycznej do nieekstensywnej

Rysunek 1: Schemat doświadczenia Sterna-Gerlacha. Rysunek 2: Schemat doświadczenia Sterna-Gerlacha w różnych rzutach przestrzennych.

Układy wieloelektronowe

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Wykład 13 Mechanika Kwantowa

W5. Rozkład Boltzmanna

II.4 Kwantowy moment pędu i kwantowy moment magnetyczny w modelu wektorowym

w rozrzedzonych gazach atomowych

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Ćwiczenia do wykładu Fizyka Statystyczna i Termodynamika

4 Przekształcenia pochodnych termodynamicznych

Cząstki elementarne i ich oddziaływania III

Testowanie hipotez statystycznych.

Elementy termodynamiki

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

Transkrypt:

Wykład 12 Rozkład wielki kanoniczny i statystyki kwantowe dr hab. Agata Fronczak, prof. PW Wydział Fizyki, Politechnika Warszawska 1 stycznia 2017 dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 1 stycznia 2017 1 / 11

Plan prezentacji Plan prezentacji 1 Rozkład wielki kanoniczny 2 Własności wielkiego rozkładu kanonicznego 3 Przykład: Klasyczny gaz doskonały 4 Statystyki kwantowe Rozkład Fermiego-Diraca Rozkład Bosego-Einsteina 5 Pytania kontrolne dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 1 stycznia 2017 2 / 11

Rozkład wielki kanoniczny Zespół wielki kanoniczny i rozkład wielki kanoniczny Zespół wielki kanoniczny to zespół statystyczny stosowany do opisu termodynamicznych własności układów, które mogą wymieniać z otoczeniem energię i cząstki. Badając takie układy zakłada się, że ich otoczenie ma ustaloną temperaturę i potencjał chemiczny: T, µ = const. Natomiast rozkład kanoniczny P (Ω) opisuje częstość, z jaką konkretne mikrostany Ω badanego układu pojawiają się w tym zespole. Rozkład wielki kanoniczny ma postać: P (Ω) = e βe(ω)+βµn(ω), (1) Ξ(β, µ) gdzie Ξ(β, µ) = e βe(ω)+βµn(ω) (2) Ω jest tzw. wielką sumą statystyczną, która pełni bardzo ważną rolę w opisie termodynamicznych własności układów otwartych. dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 1 stycznia 2017 3 / 11

Własności wielkiego rozkładu kanonicznego Własności wielkiego rozkładu kanonicznego: średnie po rozkładzie Średnia liczba cząstek: N = Ω N(Ω)P (Ω) = 1 β ln Ξ µ, (3) Średnia energia: E = Ω E(Ω)P (Ω) = ln Ξ β + µ N. (4) dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 1 stycznia 2017 4 / 11

Własności wielkiego rozkładu kanonicznego Logarytm wielkiej sumy statystycznej Wielki potencjał termodynamiczny Można pokazać, że logarytm wielkiej sumy statystycznej w wielkim zespole kanonicznym, definiuje wielki potencjał termodynamiczny: Φ = pv = k B T ln Ξ. (5) W wielu wypadkach powyższe równanie można traktować jak równanie stanu. dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 1 stycznia 2017 5 / 11

Własności wielkiego rozkładu kanonicznego Multiplikatywność wielkiej sumy statystycznej Wielka suma Ξ(β, µ) występująca w rozkładzie wielkim kanonicznym, ma cechę multiplikatywności, tak samo, jak zwykła suma statystyczna Z(β) występująca w rozkładzie kanonicznym. Korzystając z tej cechy można na przykład pokazać, że wielka suma statystyczna, Ξ, układu otwartego składającego się z nieoddziałujących i nierozróżnialnych cząsteczek oraz będącego w kontakcie z otoczeniem o stałej temperaturze i stałym potencjale chemicznym, T, µ = const, może być zapisana w postaci: Ξ(β, µ) = e eβµ Z 1 (β), (6) gdzie Z 1 (β) oznacza zwykłą (tj. kanoniczną) sumę statystyczną pojedynczej cząsteczki w tym układzie. Ξ(β, µ) = = Ω e β(e(ω) µn(ω)) (7) e βµn e βe(ω N ) (8) = N=0 Ω N ( ) e βµn 1 N! Z(β, N) (9) N=0 1 ( = e βµ N βµ Z 1 (β)) = exp[e Z1 (β)]. (10) N! N=0 dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 1 stycznia 2017 6 / 11

Przykład: Klasyczny gaz doskonały Przykład: Klastyczny gaz doskonały Oblicz wielką sumę statystyczną klasycznego gazu doskonałego o temperaturze T i potencjale chemicznym µ. Wyznacz średnią liczbę cząsteczek gazu w objętości V oraz znajdź ich średnią energię. Załóż, że cząsteczki gazu są nierozróżnialne. Wielką sumę statystyczną klasycznego gazu doskonałego wyznaczamy z wyprowadzonego przed chwilą wzoru: gdzie Ξ(β, µ) = exp[e βµ Z 1 (β, V )], (11) Z 1 (β, V ) = V λ 3, (12) jest zwykłą sumą statystyczną pojedynczej cząsteczki gazu, zaś λ = λ(β) = h 2 β reprezentuje długość fali de Broglie a, która zależy od temperatury gazu. 2πm, (13) Średnią liczbę cząsteczek gazu w objętości V wyznaczamy ze wzoru (3): zaś średnią energię gazu ze wzoru (4): N = 1 β ln Ξ ( ) ( E = ln Ξ β + µ N = Z eβµ 1 β = e βµ 1 Z 1 Z 1 Z 1 β gdzie ε = 3 2 k BT jest średnią energią pojedynczej cząsteczki. µ = eβµ Z 1 (β, V ) = e βµ V λ 3, (14) ) = N ln Z 1 β = N ε, (15) dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 1 stycznia 2017 7 / 11

Statystyki kwantowe Statystyki kwantowe W wielu zastosowaniach niezbędna jest znajomość średniej liczby określonych cząstek kwantowych (np. elektronów, fotonów, fononów...) w poszczególnych stanach kwantowych. Informacji takiej dostarczają statystyki kwantowe, które można wyprowadzić z wielkiego rozkładu kanonicznego. Statystyki kwantowe opisują średnie liczby cząstek w stanach kwantowych o zadanej energii. Statystyki te wyprowadza się traktując pojedyncze stany kwantowe jak układy otwarte (tj. takie, które mogą wymieniać cząstki z innymi stanami kwantowymi). Można pokazać, że średnia liczba cząstek w stanie o energii ε zależy od tego, czy rozważane cząstki są fermionami, czy bozonami (tzn. czy spełniają zakaz Pauliego, czy nie), i jest równa: gdzie górny znak, +, odnosi się do fermionów ( f ), a dolny,, do bozonów ( b ). 1 N f,b = e β(ε µ) ± 1, (16) Rysunek: a) Rozkład Fermiego-Diraca i b) rozkład Bosego-Einsteina dla kilku wartości temperatury. dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 1 stycznia 2017 8 / 11

Statystyki kwantowe Rozkład Fermiego-Diraca Rozkład Fermiego-Diraca Zakaz Pauliego: W dowolnym stanie kwantowym może przebywać co najwyżej jeden fermion, n = 0, 1. Wielka suma statystyczna stanu kwantowego: Ξ f = 1 e β(ε µ)n = 1 + e β(ε µ). (17) n=0 Średnia liczba fermionów w stanie kwantowym o energii ε: N f = 1 β ln Ξ f µ 1 = e β(ε µ) + 1. (18) Własności rozkładu Fermiego-Diraca... zostały omówione w skrypcie, str. 117. dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 1 stycznia 2017 9 / 11

Statystyki kwantowe Rozkład Bosego-Einsteina Rozkład Bosego-Einsteina Zakaz Pauliego... nie dotyczy bozonów. W dowolnym stanie kwantowym może przebywać ich dowolna liczba, n = 0, 1, 2,... Wielka suma statystyczna stanu kwantowego: Ξ b = n=0 β(ε µ)n µ 0 e = 1. (19) 1 e β(ε µ) Średnia liczba bozonów w stanie kwantowym o energii ε: N b = 1 ln Ξ b 1 = β µ e β(ε µ) 1. (20) Własności rozkładu Bosego-Einsteina... zostały omówione w skrypcie, str. 119. dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 1 stycznia 2017 10 / 11

Pytania kontrolne Pytania kontrolne 1 Podaj wzór na rozkład prawdopodobieństwa mikrostanów w zespole wielkim kanonicznym. Do opisu jakich układów stosuje się ten rozkład. 2 Pokaż, że wzór opisujący średnią liczbę cząstek w wielkim rozkładzie kanonicznym ma postać: N = Ω N(Ω)P (Ω) = 1 β ln Ξ µ. 3 Co to jest rozkład Fermiego-Diraca. Podaj wzór i omów własności tego rozkładu. 4 Co to jest rozkład Bosego-Einsteina. Podaj wzór i omów własności tego rozkładu. dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 1 stycznia 2017 11 / 11