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

Podobne dokumenty
Wykład 12. Rozkład wielki kanoniczny i statystyki kwantowe

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Termodynamiczny opis układu

Elementy fizyki statystycznej

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

Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny

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

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego i Fermiego

Fizyka statystyczna Zwyrodniały gaz Fermiego. P. F. Góra

Statystyki kwantowe. P. F. Góra

Kwantowa natura promieniowania

S ścianki naczynia w jednostce czasu przekazywany

ELEMENTY FIZYKI STATYSTYCZNEJ

Fizyka statystyczna. This Book Is Generated By Wb2PDF. using

Termodynamika Część 3

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

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Atomowa budowa materii

Termodynamika. Część 4. Procesy izoparametryczne Entropia Druga zasada termodynamiki. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Wykład FIZYKA II. 11. Optyka kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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

1 Rachunek prawdopodobieństwa

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

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

Wykłady z Fizyki. Kwanty

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

P R A C O W N I A

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

r. akad. 2005/ 2006 Jan Królikowski Fizyka IBC

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Zadania z Fizyki Statystycznej

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

Kinetyczna teoria gazów Termodynamika. dr Mikołaj Szopa Wykład

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

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

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

Układy statystyczne. Jacek Jurkowski, Fizyka Statystyczna. Instytut Fizyki

Cząstki Maxwella-Boltzmanna (maxwellony)

Teoria kinetyczno cząsteczkowa

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA NIEZALEŻNE OD CZASU

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.2, Optyka, termodynamika, fale / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7. Warszawa, 2014.

Teoria kinetyczna gazów

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

Podstawy fizyki kwantowej

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

PROMIENIOWANIE CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Wielki rozkład kanoniczny

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

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

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

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

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Termodynamika Część 7 Trzecia zasada termodynamiki Metody otrzymywania niskich temperatur Zjawisko Joule'a Thomsona Chłodzenie magnetyczne

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

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Jednostki podstawowe. Tuż po Wielkim Wybuchu temperatura K Teraz ok. 3K. Długość metr m

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

Ciśnienie i temperatura model mikroskopowy

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

17.1 Podstawy metod symulacji komputerowych dla klasycznych układów wielu cząstek

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

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Wstęp do astrofizyki I

Stany skupienia materii

ZESTAW PYTAŃ I ZAGADNIEŃ Z FIZYKI

Rozważmy nieustalony, adiabatyczny, jednowymiarowy ruch gazu nielepkiego i nieprzewodzącego ciepła. Mamy następujące równania rządzące tym ruchem:

Elementy termodynamiki

Zagadnienia na egzamin ustny:

Wykład 13 Mechanika Kwantowa

Fizyka - opis przedmiotu

wymiana energii ciepła

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

gęstością prawdopodobieństwa

Podstawy fizyki sezon 1 X. Elementy termodynamiki

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

Fizyka statystyczna. Joanna ROPKA, Bartłomiej WRÓBEL

POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ cd i formalizm matematyczny

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

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

II Zasada Termodynamiki c.d.

Układ termodynamiczny Parametry układu termodynamicznego Proces termodynamiczny Układ izolowany Układ zamknięty Stan równowagi termodynamicznej

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

WSTĘP DO ĆWICZEŃ DOTYCZĄCYCH CIEPŁA WŁAŚCIWEGO

Stara i nowa teoria kwantowa

Promieniowanie cieplne ciał.

Wielki rozkład kanoniczny

Model elektronów swobodnych w metalu

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

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

Transkrypt:

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

Układ otwarty rozkład wielki kanoniczny Rozważamy układ w równowadze termicznej z otoczeniem o temperaturze T, z którym układ może wymieniać cząstki (T, V = const). Wyrażenie na prawdopodobieństwo, że układ znajduje się w mikrostanie o energii E oraz liczbie cząstek N, można wyprowadzić w sposób podobny jak dla rozkładu kanonicznego, korzystając z rozwinięcia logarytmu liczby mikrostanów otoczenia ln o E C E, N C N ln o E C, N C ln o E C, N C E C gdzie jest potencjałem chemicznym cząstek. = ln o E C, N C E N E ln o E C, N C N C N = Równość = ln 0 N C W rezultacie otrzymamy wynika z definicji entropii oraz związku P = 1 Z e E N = T S N U,V gdzie Z jest wielką funkcją rozdziału.

Rozkład wielki kanoniczny Wielka funkcja rozdziału ma postać Z = e E N gdzie sumowanie przebiega po wszystkich mikrostanach układu. Z wielkiej funkcji rozdziału możemy wyznaczyć wielkości termodynamiczne układu poprzez związek 1 lnz = F N = gdzie oznacza potencjał, nazywany też potencjałem Landaua lub wielkim potencjałem kanonicznym. Potencjał ten można wyrazić wzorami = F N = F G = pv Poniważ różniczka zupełna ma postać to w szczególności d = S dt pdv N d N = T,V

Statystyki kwantowe Rozważamy gaz doskonały złożony z cząstek nierozróżnialnych. Nie można śledzić stanu określonej cząstki. Jako podukład wybieramy cząstki zawarte w stanie mikroskopowym i. i n i n i liczba cząstek w stanie i i energia cząstki w stanie i Stan całego układu określony przez { n i}. Całkowita liczba cząstek n i, całkowita energia E = n i i. N = i Wybrany podukład jest otwarty i należy do jego opisu stosować wielki rozkład kanoniczny. Funkcja rozdziału dla cząstek w stanie i Z i = ni e n i i Klasyfikacja cząstek za względu na spin bozony spin całkowity (fotony, cząstki alfa, mezony... ) fermiony spin połówkowy (elektrony, neutrina, nukleony... ) n i = 0, 1, 2,... dla identycznych bozonów n i = 0, 1 dla identycznych fermionów (zakaz Pauliego). i

Fermiony statystyka Fermiego - Diraca Funkcja rozdziału dla cząstek w stanie i 1 Z i = e n i i = 1 e i n i =0 Potencjał Landaua i = 1 lnz = 1 i ln[1 e i ] Średnia liczba cząstek w stanie i n i = i = e i 1 e i n i = 1 e i 1 Rozkład Fermiego Diraca Energię dla której rozkład Fermiego Diraca przyjmuje wartość 1/2 nazywamy energią Fermiego. Energia ta jest równa wartości potencjału chemicznego. Przykładem gazu Fermiego Diraca jest gaz swobodnych elektronów w metalach, które znajdują się w paśmie przewodnictwa.

Bozony statystyka Bosego - Einsteina Funkcja rozdziału dla cząstek w stanie i jest szeregiem geometrycznym, zbieżnym gdy i Z i = ni =0 Potencjał Landaua e n i i = 1 1 e i i = 1 lnz i = 1 ln[1 e i ] Średnia liczba cząstek w stanie i n i = 1 e i 1 Rozkład Bosego Einsteina

Średnią liczbę cząstek w stanie i można ogólnie zapisać w postaci wzoru n i = 1 e i ±1 gdzie górny znak odnosi się do fermionów, a dolny do bozonów. Dla całego układu, złożonego z wszystkich podukładów i Z = i = i Z i i Średnia energia całkowita E T,V, = i Średnia liczba cząstek w układzie N T,V, = i n i i n i T,V = const = N

Granica klasyczna Jeżeli średnia liczba obsadzeń stanów jest mała n i 1 to e i 1 i obydwa rozkłady przechodzą w klasyczny rozkład Maxwella Boltzmanna n i = e i gdzie oznacza parametr zwyrodnienia dany wzorem = e. Jeżeli powyższe warunki są spełnione dla wszystkich stanów, czyli gdy parametr zwyrodnienia jest mały, to mówimy, że gaz jest niezwyrodniały.

Gaz fotonowy prawo promieniowania Plancka Rozważamy zrównoważone promieniowanie elektromagnetyczne, zawarte w zamkniętej wnęce o objetości V, której ścianki utrzymywane są w stałej temperaturze T. Z elektrodynamiki kwantowej wynika, że płaska fala elektromagnetyczna jest równoważna zbiorowi fotonów o energii = ћ gdzie ω jest częstością kołową fali, oraz ħ = h /2 Pęd fotonu p = ћ k gdzie k jest wektorem falowym o kierunku rozchodzenia się fali i wartości k = /c = 2 / gdzie c jest prędkością światła w próżni, a Związek między energią i pędem fotonu = pc oznacza długość fali. Zamknięte we wnęce promieniowanie stanowi gaz fotonów. W gazie tym liczba fotonów nie jest zachowana, z czego wynika, że ich potencjał chemiczny = 0. Spin fotonu jest równy jedności, zatem fotony podlegają statystyce Bosego Einsteina.

Gaz fotonowy prawo promieniowania Plancka Rozkład Bosego Einsteina dla fotonów we wnęce ma postać n = 1 e ħ 1 Liczba stanów kwantowych fotonu w objętości V, którego pęd ma wartość z przedziału [ p, p + dp] wynosi g p dp = 2 2 ħ 3 V 4 p2 dp gdzie czynnik dwa uwzględnia dwa mozliwe kierunki polaryzacji drgań poprzecznych fali elektromagnetycznej. Przechodząc do częstości g d = V 2 c 3 2 d Zatem średnia liczba fotonów o częstościach w przedziale [, d ] N d = g n d = V 2 c 3 2 e ħ 1 d

Gaz fotonowy prawo promieniowania Plancka Średnia energia fotonów, odpowiadająca przedziałowi częstości [, d ] E d = ħ N d = V ħ 2 c 3 3 e ħ 1 d Stąd rozkład gęstości energii promieniowania we wnęce w = E V = ħ 2 c 3 3 e ħ 1 Wzór Plancka (1900)

Promieniowanie ciała doskonale czarnego Promieniowanie wychodzące z wnęki przez bardzo mały otwór odpowiada promieniowaniu ciała doskonale czarnego. Spektralny rozkład gęstości mocy promieniowania na jednostkę powierzchni P = ħ 3 4 2 c 2 e ħ 1 Maksimum mocy przy max = 2.822 kt ħ max T = 2898 [ m K ] Prawo Wiena Całkowita moc promieniowania wyemitowanego przez ciało doskonale czarne z jednostki powierzchni gdzie P T = 0 P d = at 4 a = 5.67 10 8 [W m 2 K 4 ]. Prawo Stefana Boltzmanna

Promieniowanie mikrofalowe tła Promieniowanie mikrofalowe tła (promieniowanie reliktowe) jest pozostałością po wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Odkryte zostało w 1965 roku przez A.A. Penziasa i R.W. Wilsona. Ma ono widmo odpowiadające promieniowaniu ciała doskonale czarnego o temperaturze T = 2.725 K. (Wikipedia)

Ruchy Browna Drobne cząstki zawieszone w cieczy są w nieustannym chaotycznym ruchu. Zjawisko to jest nazywane ruchami Browna. Odkryte zostałe w 1827 roku przez angielskiego botanika Roberta Browna. Teoria ruchów Browna: Albert Einstein 1905 Marian Smoluchowski 1906 Doświadczalna weryfikacja przewidywań teoretycznych: Jean Baptiste Perrin 1908 (Nobel 1926). Cząstki zawiesiny razem z czasteczkami cieczy tworzą jeden układ statystyczny. Zgodnie z zasadą ekwipartycji energii, na trzy stopnie swobody ruchu postępowego środka masy cząstki Browna przypada średnia energia równa 3kT/2.

Błądzenie przypadkowe Rozważamy położenie cząstki Browna w ciągu pewnych ustalonych odstępów czasu. Przemieszczenie cząstki względem położenia początkowego po n obserwacjach (krokach) jest sumą wektorów przemieszczeń w poszczególnych krokach n r n = i=1 q i Opis ruchu cząstki Browna Średni kwadrat przemieszczenia cząstki po n krokach r n 2 = i, j n q i q j = 2 q i i=1 n q i q j = i j i=1 q i 2 = a 2 n gdzie a 2 jest pewną dodatnią wielkością. 2 r n = a 2 n = a2 t t = t = r t 2 gdzie t jest całkowitym czasem obserwacji, a t jest odstępem czasu pomiędzy kolejnymi obserwacjami. W celu opisania ruchów Browna należy wyznaczyć α.

Opis ruchu cząstki Browna Równanie ruchu cząstki w kierunku osi x m 2 x t 2 = b x t F x gdzie m jest masą cząstki, F x składową x losowej siły działającej na cząstkę, bedącej rezultatem bezładnych uderzeń cząsteczek cieczy, b jest współczynnikiem tarcia cząstki w cieczy. Mnożąc obie strony powyższego równania przez x otrzymujemy Łatwo wykazać, że mx 2 x x = bx 2 t t F x x x 2 x t = 2 x 2 /2 x 2, x x 2 t 2 t t = /2 x2. t Uwzględniając powyższe związki otrzymujemy równanie ruchu w postaci m 2 2 x 2 t 2 m x t 2 = b 2 x 2 t F x x

Opis ruchu cząstki Browna Otrzymane równanie uśredniamy po zespole identycznych cząstek Browna, uwzględniając fakt, że średnia pochodnej po czasie jest równa pochodnej średniej m 2 2 x 2 t 2 m x t 2 = b 2 x 2 t F x x Ponieważ x 2 = y 2 = z 2 = 1 3 r2 oraz r 2 = t zatem x 2 = 1 3 t, x 2 t = 1 3, 2 x 2 t 2 = 0. Siła F x ma charakter losowy i jest niezależna od współrzędnej x, a więc F x x = 0. W rezultacie m x t 2 = m 2 v x = 1 6 b Wielkość ta, zgodnie z zasadą ekwipartycji energii, jest równa kt, zatem = 6 kt /b r 2 = 6 kt t b

Opis ruchu cząstki Browna Jeżeli przyjmiemy, że cząstka Browna jest zanurzoną w cieczy kulą o promieniu r 0, to współczynnik tarcia b możemy określić na podstawie prawa Stokesa gdzie jest lepkością cieczy. Po podstawieniu otrzymujemy b = 6 r 0 r 2 = kt r 0 t = RT N A r 0 t Średni kwadrat przemieszczenia cząstki jest proporcjonalny do czasu i nie zależy od jej masy.