Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Podobne dokumenty
Wykład 12. Rozkład wielki kanoniczny i statystyki kwantowe

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

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

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

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

Podstawy fizyki kwantowej

Kwantowa natura promieniowania

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

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

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

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

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

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

Statystyki kwantowe. P. F. Góra

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

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

Podstawy fizyki kwantowej

PROMIENIOWANIE CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Wykład 7 Kwantowe własności promieniowania

Promieniowanie cieplne ciał.

Podstawy fizyki kwantowej. Nikt nie rozumie fizyki kwantowej R. Feynman, laureat Nobla z fizyki

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

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego i Fermiego

Podstawy fizyki kwantowej

Falowa natura materii

Fizyka statystyczna Zwyrodniały gaz Fermiego. P. F. Góra

Problemy fizyki początku XX wieku

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Podstawy fizyki kwantowej

Cząstki Maxwella-Boltzmanna (maxwellony)

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Sprawdzanie prawa Ohma i wyznaczanie wykładnika w prawie Stefana-Boltzmanna

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

I.2 Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA NA PODSTAWIE PRAWA PLANCKA PROMIENIOWANIA CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

Elementy optyki kwantowej. Ciało doskonale czarne. Teoria Wiena. Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek

Wykład 13 Mechanika Kwantowa

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

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego: kondensacja Bosego- Einsteina

wymiana energii ciepła

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

Wstęp do astrofizyki I

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

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

Wstęp do astrofizyki I

Rysunek 3-19 Model ciała doskonale czarnego

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

WYZNACZENIE STAŁEJ STEFANA - BOLTZMANNA

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

FALOWA NATURA MATERII

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Przegląd termodynamiki II

Rozdział 1. Światło a fizyka kwantowa

Rysunek 3-23 Hipotetyczne widmo ciągłe atomu Ernesta Rutherforda oraz rzeczywiste widmo emisyjne wodoru w zakresie światła widzialnego

Falowa natura materii

Spis treści. Tom 1 Przedmowa do wydania polskiego 13. Przedmowa 15. Wstęp 19

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

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

Efekt fotoelektryczny. 18 października 2017

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Fizyka statystyczna. This Book Is Generated By Wb2PDF. using

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

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

Termodynamiczny opis układu

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Wykłady z Fizyki. Kwanty

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

Wielki rozkład kanoniczny

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Mateusz Winkowski, Jan Szczepanek

Fale elektromagnetyczne

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Temperatura, ciepło, oraz elementy kinetycznej teorii gazów

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

S ścianki naczynia w jednostce czasu przekazywany

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

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

Wstęp do astrofizyki I

Termodynamika Część 3

Ładunek elektryczny jest skwantowany

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 39 ATOM WODORU. PROMIENIOWANIE. WIDMA TEST JEDNOKROTNEGO WYBORU

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

Fizyka - opis przedmiotu

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Wykład 32. ciało doskonale czarne T = 2000 K. wolfram T = 2000 K

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

Techniczne podstawy promienników

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

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

1 Rachunek prawdopodobieństwa

Rozwiązania zadań z kolokwium w dniu r. Zarządzanie Inżynierskie, WDAM, grupy I i II

Transkrypt:

Wykład 14 Termodynamika gazu fotnonowego dr hab. Agata Fronczak, prof. PW Wydział Fizyki, Politechnika Warszawska 16 stycznia 217 dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 1 / 12

Plan prezentacji Plan prezentacji 1 Promieniowanie cieplne Podstawowe własności Teoria Rayleigha-Jeansa i teoria Plancka 2 Termodynamika gazu fotonowego Podstawowe własności gazu Rozkład Plancka Prawo przesunięć Wiena Prawo Stefana-Boltzmanna Równanie stanu gazu fotonowego 3 Pytania kontrolne dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 2 / 12

Promieniowanie cieplne Podstawowe własności Promieniowanie cieplne Promieniowanie cieplne lub temperaturowe Każde ciało o temperaturze T > K emituje (i absorbuje) promieniowanie elektromagnetyczne z pewnego zakresu długości fal. Takie promieniowanie nazywamy cieplnym lub temperaturowym. Widmowa zdolność emisyjna Dla każdego ciała można określić funkcję E(ν, T ), tzw. widmową zdolność emisyjną, która zależy od rodzaju ciała, temperatury i częstości lub długości fali. Funkcję tę definiuje się następująco: E(ν, T )dν jest to ilość energii wysyłana w postaci promieniowania elektromagnetycznego o częstości z przedziału (ν, ν + dν) przez jednostkę powierzchni ciała o temperaturze T w jednostce czasu. Znane fakty doświadczalne dotyczące funkcji E(ν, T ) i. Prawo Wiena: funkcja E(ν, T ) ma maksimum, którego położenie zależy liniowo od temperatury: ( ) ν max T, lub: λ max 1. (1) T ii. Prawo Stefana-Boltzmanna: całkowita zdolność emisyjna ciała zależy od temperatury jak E(T ) = E(ν, T )dν T 4. (2) dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 3 / 12

Promieniowanie cieplne Podstawowe własności Widmowa zdolność emisyjna Rysunek: Widmowa zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego dla kilku wartości temperatury. dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 4 / 12

Promieniowanie cieplne Teoria Rayleigha-Jeansa i teoria Plancka Katastrofa w nadfiolecie vs. rozkład Plancka Jak powstaje promieniowanie cieplne? Nazwa promieniowanie cieplne odnosi się do sposobu wytwarzania tego promieniowania, którego źródłem jest chaotyczny, cieplny ruch ładunków elektrycznych związanych z elementarnymi składnikami materii. Z punktu widzenia modelowego, najbardziej naturalne wydaje się przyjęcie, że ruch ten ma charakter oscylacyjny: Drgające ładunki/cząstki wysyłają promieniowanie, które gdy zostanie zaabsorbowane przez inne cząstki/ładunki pobudza je do drgań. Teoria Rayleigha-Jeansa Założenie: między drgającymi ładunkami i wysyłanym przez te ładunki promieniowaniem elektromagnetycznym istnieje równowaga termodynamiczna. Powyższe założenie pozwala sprowadzić zagadnienie badania fal do badania układu klasycznych oscylatorów. Skutek: katastrofa w nadfiolecie. Teoria Plancka Max Planck (19), który zauważył, że teoretyczny opis zgodny z doświadczeniem uzyskuje się przy założeniu, że oscylatory wytwarzające promieniowanie mogą przyjmować tylko pewne wybrane stany energetyczne, a emitowane przez nie promieniowanie może być wysyłane tylko w określonych porcjach. Innymi słowy, klasyczne oscylatory z teorii Rayleigha-Jeansa zastąpił on oscylatorami kwantowymi. W ten sposób skwantował on energię fal elektromagnetycznych nie wiedząc jeszcze, że fale te można traktować jak gaz cząstek - fotonów. dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 5 / 12

Termodynamika gazu fotonowego Podstawowe własności gazu Gaz fotonowy: własności i. Fotony są bozonami o spinie s = 1. ii. Niezależnie od warunków zewnętrznych, ich liczba nie jest ustalona (jest zmienną dynamiczną), dlatego przyjmuje się, że potencjał chemiczny fotonów jest równy zero: µ =. (3) iii. Funkcja gęstości stanów, g(ε), określająca liczbę stanów fotonów w przedziale energii (ε, ε + dε) wynosi g(ε)dε = Aε 2 V dε, gdzie A = π 2 3 c 3. (4) dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 6 / 12

Termodynamika gazu fotonowego Rozkład Plancka Rozkład Plancka Średnia liczba fotonów o energii z przedziału (ε, ε + dε) Korzystając z rozkładu Bosego-Einsteina, który opisuje średnią liczbę bozonów N b w pojedynczym stanie kwantowym o energii ε, można obliczyć średnią liczbę bozonów o energii z zadanego przedziału. Liczba ta wynosi: N(ε)dε = N b g(ε)dε = A ε2 dε (e βε 1), (5) Energia promieniowania związanego z fotonami o częstości z przedziału (ν, ν + dν) Podstawiając ε = hν w wyrażeniu (5) dostajemy średnią liczbę bozonów o częstości z zadanego przedziału: N(ν)dν = 8πV 2 ν dν c 3 (e βhν 1). (6) W końcu, korzystając z zależności (6), łatwo dostajemy całkowitą energię promieniowania związanego z fotonami o zadanych częstościach: E(ν, T )dν = hν N(ν) dν = 8πhV 3 ν dν c 3 (e βhν 1). (7) Widmowa gęstość energii promieniowania - rozkład Plancka Dzieląc ostatnie wyrażenie przez objętość, V, uzyskujemy gęstość energii promieniowania, która jest równoważna widmowej zdolności emisyjnej ciała o temperaturze T : u(ν, T ) = 8πh c 3 3 ν e βhν E(ν, T ). (8) 1 dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 7 / 12

Termodynamika gazu fotonowego Rozkład Plancka Rozkład Plancka Rysunek: Rozkład Plancka dla kilku wybranych wartości częstości. dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 8 / 12

Termodynamika gazu fotonowego Prawo przesunięć Wiena Prawo Wiena Położenie maksimum rozkładu e βhν E(ν, T ) (9) 1 dostajemy różniczkując go po częstościach ν, a następnie przyrównując otrzymaną pochodną do zera, tj. Podstawiając w ostatnim wyrażeniu dostajemy proste równanie u(ν, T ) = 8πh c 3 którego przybliżonym (dla e x 1 + x) rozwiązaniem jest x 2. 3 ν d u(ν) = 3ν 2 (e βhν 1) ν 3 (βhe βhν ) =. (1) dν x = βhν, (11) (3 x)e x = 3, (12) Wstawiając ten wynik do równ. (11) otrzymujemy prawo Wiena: ν max 2k BT h T. (13) dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 9 / 12

Termodynamika gazu fotonowego Prawo Stefana-Boltzmanna Prawo Stefana-Boltzmanna Prawo Stefana-Boltzmanna stwierdza, że całkowita zdolność emisyjna ciała zależy potęgowo od temperatury: E(T ) T 4. Ponieważ zdolność emisyjna jest równoważna gęstości energii promieniowania elektromagnetycznego, prawo to oznacza, że również całkowita energia gazu E(T ) spełnia podobną zależność. Całkowitą energię gazu fotonów można wyznaczyć wykonując poniższe całkowanie: E(T ) = ε N b g(ε)dε = A ε 3 e βε dε. 1 (14) Następnie korzystając z wyniku całki specjalnej: dx x3 e x 1 = π 4, dostajemy prawo Stefana-Boltzmanna: 15 E(T ) T 4. (15) dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 1 / 12

Termodynamika gazu fotonowego Równanie stanu gazu fotonowego Równanie stanu gazu fotonowego Równanie stanu Dla gazu fotonowego równanie stanu ma postać: pv = E 3, (16) gdzie E jest całkowitą energią gazu E T 4. Wyprowadzenie równania stanu Z definicji wielkiego potencjału termodynamicznego pv = k B T ln Ξ. (17) Zakładając, że fotony w gazie są niezależne i wykorzystując cechę multiplikatywności dostajemy: ln Ξ = ln Ξ b = ln Ξ b, (18) b b gdzie iloczyn (odpowiednio suma) po b odnosi się do wszystkich, pojedynczych bozonów w gazie......i dalej liczymy: ] ln Ξ = ln(1 e βε ) g(ε)dε = [ln(1 e βε ) Aε3 + A 3 3 β ε 3 e βε dε (19) 1 = β 3 ε N b g(ε)dε = β E(T ), (2) 3 dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 11 / 12

Pytania kontrolne Pytania kontrolne 1 Co opisuje funkcja E(ν, T ) nazywana widmową zdolnością emisyjną ciała? 2 Co opisuje rozkład Plancka? Podaj wzór i naszkicuj rysunek. 3 Podaj (i jeśli potrafisz wyprowadź) równanie stanów dla gazu fotonów. Czy równanie to różni się od równania stanu dla klasycznego gazu doskonałego? dr hab. A. Fronczak (Wydział Fizyki PW) Wykład: Elementy fizyki statystycznej 16 stycznia 217 12 / 12