Физические основы термодинамики Атомная физика Закон радиоактивного распада Идеальный 3х атомный газ Уравнение динамики поступательного движения тела

Лекции и задачи по физике

Строение кристаллов. Элементы квантовой статистики

Кристаллическая решетка. Виды связей между частицами решетки

 Основной особенностью кристаллов, отличающих их от жидкостей и аморфных твердых тел, является периодичность пространственного расположения частиц (атомов, молекул или ионов), из которых состоит кристалл. Совокупность таких периодически расположенных частиц образует периодическую структуру, называемую кристаллической решеткой. Точки, в которых расположены сами частицы, называются узлами кристаллической решетки. Существование кристаллической решетки объяснятся тем, что равновесие сил притяжения и отталкивания между частицами, соответствующее минимуму потенциальной энергии системы, достигается при условии трехмерной периодичности. Всякая кристаллическая решетка может быть составлена повторением в трех различных направлениях одного и того же структурного элемента - элементарной ячейки. Она представляет собой параллепипед, построенный на ребрах а, b, c с углами a, b, g между ребрами. В зависимости от формы элементарной ячейки все кристаллы делятся на 7 систем (сингоний): кубическая, ромбическая и др.

 В зависимости от рода частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, и от характера сил взаимодействия между частицами различают 4 физических типа кристалла: 

Ионные кристаллы, например, NaCl. В узлах кристаллической решетки находятся ионы разных знаков. Связь между ионами обусловлена силами кулоновского притяжения и называется такая связь гетерополярной.

Атомные кристаллы, например, С (алмаз), Ge, Si. В узлах решетки находятся нейтральные атомы, удерживающиеся там благодаря ковалентным связям, возникающим за счет обменных сил, имеющих чисто квантовый характер. 

Металлические кристаллы. В узлах кристаллической решётки располагаются положительные ионы металла. Валентные электроны в металлах слабо связаны со своими атомами, они свободно перемещаются по всему объёму кристалла, образуя так называемый «электронный газ». Он связывает между собой положительно заряженные ионы.

Молекулярные кристаллы, например, нафталин,- в твёрдом состоянии (сухой лёд). Они состоят из молекул, связанных между собой силами Ван-дер-Ваальса, т.е. cилами взаимодействия индуцированных молекулярных электрических диполей.

Элементы квантовой статистики

 Дуализм (двойственность) волн и частиц относится к числу фундаментальных концепций современной физики. В кристаллах имеется много полей, которые проявляют оба эти аспекта - и волновой, и корпускулярный. Кванты энергий таких полей получили собственные названия. Подобно тому как фотон описывает корпускулярные свойства электромагнитного поля, термины фонон, магнон, плазмон, полярон и экситон описывают некоторые квантовые поля в кристалле. Фононы, магноны, плазмоны, поляроны и экситоны ведут себя почти как частицы и называются квазичастицы. В отличие от реальных частиц, которые существуют как в среде, так и в вакууме, квазичастицы существуют лишь только в среде. Итак, твёрдые тела состоят из огромного числа как частиц (молекул, атомов, ядер атомов, протонов, нейтронов, электронов и т. д.), так и квазичастиц. Кроме того в твёрдых телах распространяются электромагнитные поля в виде огромного числа частиц - фотонов.

 Поведение этих частиц и квазичастиц описывается с использованием статистических методов, аналогично тому, как описывалось поведение молекул идеального газа в лекциях 1,2.

 Напоминаем, что задача статистики - указать распределение частиц по энергии Е, импульса Р .... Зная функцию распределения f(Е) и f(Р)..., можно вычислить средние физические величины, характеризующие состояние системы в целом. В зависимости от условий частицы системы подчиняются законам либо классической физики (лекции 1,2), либо квантовой физики. Соответственно различаются классическая и квантовая статистики. У классических частиц параметры изменяются непрерывно. Поэтому в классической статистике f(x)dx указывает число частиц (или долю частиц), параметр х которых лежит в интервале от х до х+dx. В классической статистике тождественные, т. е. одинаковые по своим физическим свойствам, частицы различимы по нахождению в пространстве, импульсам... Квантовые статистики отличаются от классических из-за того, что в них частицы подчиняются квантовым законам: параметры частиц квантуются, т. е. принимают только дискретные значения и квантовые закономерности имеют всегда вероятный характер. В квантовой физике существует важное положение о принципиальной неразличимости тождественных частиц. 

Фермионы и бозоны. Распределение Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна

  Согласно современной квантовой теории все элементарные и сложные частицы, а также квазичастицы разделяются на два класса - фермионы и бозоны.

 К фермионам относятся электроны, протоны, нейтроны и все другие частицы, имеющие полуцелые проекции спина, т.е. LSZ=±(2n+1)/2 , где n=0, 1, 2 ... - целые числа. Напомним, что спин (spin) LS - это собственный момент импульса частиц, имеющий квантовую природу.

  К бозонам относятся фотоны, некоторые ядра атомов, квазичастицы: фононы, магноны, плазмоны, экситоны. Все они имеют проекцию спина либо равную нулю, либо равную целому числу , т.е. LSZ=±n. Фермионы и бозоны имеют различные свойства.

Фермионы

Они подчиняются принципу Паули - в одном квантовом состоянии может находится не более одного фермиона (или в одном квантовом состоянии может находиться только один фермион). Т.е. фермионы - индивидуалисты. Система фермионов описывается распределением Ферми-Дирака: среднее число фермионов <ni>, приходящееся на одно квантовое состояние с данной энергией Еi 

 <ni>=, (1)

где k - постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура, m - химический потенциал.

Поясним физический смысл химического потенциала. Известно, что первое начало термодинамики для системы с переменным числом частиц N имеет вид

dQ=dU+dA-mdN,  (2)

отсюда изменение внутренней энергии dU=ТdS-PdV+mdN. Таким образом, слагаемое mdN учитывает изменение внутренней энергии системы за счет изменения числа частиц на dN. Пусть протекает адиабатический (dQ=ТdS=0) изохорический (dV=0) процесс, тогда dU=mdN и химический потенциал m= (dU /dN)S, V,

т. е. он характеризует изменение внутренней энергии системы dU при добавлении в систему одной частицы, когда система при этом не получала тепла и не совершала работу; m зависит от внешних параметров V, T и числа частиц N. Для фермионов m>0.

 На рис. 1(а) сплошной кривой представлено распределение Ферми-Дирака.

Если Т®0, то из (1) следует:

áñ =  (3)

 


Это значит, что при Т = 0 частицы Ферми - газа заполняют все квантовые состояния с энергиями  < m . Квантовые состояния с более высокими энергиями не заполнены. Кривая распределения вырождается в прямоугольник (рис. 1б). Значение энергии, ниже которой все состояния системы частиц фермионов при Т = 0 К заняты, называется энергией Ферми . Для идеального ферми газа  при Т = 0 К. Можно показать это

  , (4) 

где m и n - масса и концентрация фермионов. Следовательно, максимальная энергия, которую могут иметь электроны в металле при Т = 0 К, равна энергии Ферми . Для хорошо проводящих металлов , для полупроводников - значительно меньше

7.3.2. Бозоны

Они не подчиняются принципу Паули, т. е. в одном квантовом состоянии может быть много бозонов, т. е. бозоны - коллективисты. Система бозонов описывается распределением Бозе-Эйнштейна: среднее число бозонов áñ, приходящееся на одно квантовое состояние с энергией  

  (5)

Поскольку числа заполнения áñ не могут быть отрицательными, то из (5) следует, что для бозонов m £0. Распределение Бозе-газа представлено на рис.2.

Понятие о вырождении системы частиц

Система частиц называется вырожденной, если её свойства за счёт квантовых эффектов отличаются от свойств классических систем. Найдём критерии вырождения частиц. Распределения Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна можно представить в следующем виде 

, (6)

где А= - параметр вырождения. (7)

  При А<<1  и ±1 в (6) можно пренебречь. В итоге получаем

  (8)

 Это распределение Максвелла-Больцмана для классических систем [см. формулу (34) в лекции 1,2]. Из анализа (7) следует, что чем выше температура Т, тем меньше А и тем более классическим становится распределение частиц по энергиям (8).

 Температура, при которой начинают проявляться квантовые эффекты, называется температурой вырождения  . Можно показать, что

,  (9)

где m и n - масса и концентрация частиц.

 Таким образом, при Т<<T0 газ вырожден и подчиняется квантовым статистикам. При  газ не вырожден и он подчиняется классической статистике Максвелла-Больцмана.

 Расчёт по формуле (9) позволяет определить температуру вырождения:

Для водорода при нормальных условиях () , следовательно, водород при Т>>1K не вырожден и подчиняется классической статистике Максвелла-Больцмана.

Для свободных электронов (для электронного газа) в серебре . Подобные же значения получаются для всех других хорошо проводящих металлов. При таких высоких температурах ни один металл в твёрдом состоянии существовать не может. Отсюда следует, что электронный газ в металлах полностью вырожден и подчиняется только квантовой статистике Ферми-Дирака.

Для фотонов, масса которых равна нулю, из (9) следует, что . Следовательно, газ фотонов всегда вырожден и подчиняется квантовой статистике Бозе-Эйнштейна.

Работа газа при изменении его объема

Круговые процессы (циклы) Процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние называется круговым процессом или циклом. На диаграмме процессов цикл изображается замкнутой кривой

Реальные газы. Фазовые переходы Силы и потенциальная энергия межмолекулярных взаимодействий

Строение кристаллов. Элементы квантовой статистики Кристаллическая решетка. Виды связей между частицами решетки

В механике мы привыкли к тому, что задание начальных значений координат и импульсов частиц однозначно определяет (через решение уравнений движения) их координаты и импульсы (то есть состояние механической системы) в любые другие моменты времени. Это означает, что разные начальные условия ведут к разным конечным состояниям, и, зная уравнение движения, в принципе всегда можно восстановить историю состояний механической системы.

Иное дело термодинамические системы. Каковы бы ни были первоначальные распределения частиц системы по координатам и импульсам, после установления теплового равновесия ничего нельзя сказать об этих начальных условиях. Термодинамическая система «не помнит» историю своих состояний, предшествовавших равновесному состоянию. Ничего нельзя сказать о том, каким путем, через какие промежуточные состояния система шла к равновесию. В равновесной термодинамической системе не сохраняется информация о ее прошлых состояниях. Динамическое описание состояния, используемое в механике, предполагает возможность в любой момент точно указать координаты и импульсы всех частиц системы. В термодинамических системах, состоящих из колоссального числа частиц, движущихся почти независимо друг от друга, возможность такого динамического описания оказывается утраченной. Однако в условиях термодинамического равновесия имеется возможность указать усредненные по времени (или, что то же самое, по коллективу частиц) координаты и импульсы частицы. По сравнению с механикой оказалась утраченной возможность точного знания фазовой траектории отдельной частицы в координатно-импульсном пространстве. Произошла некоторая утрата определенности описания состояния частицы. Мерой утраты этой определенности должна служить новая функция состояния системы, связанная с усредненной величиной разброса («размытостью») значений координат и импульсов частиц около их средних значений. Эта функция должна отражать новую (по сравнению с механикой) характеристику системы частиц, которую можно назвать хаотичностью состояния системы. Изменение этой функции при переходе системы из одного состояния в другое будет означать изменение степени хаотичности состояния системы. Несколько забегая вперед, укажем, что такой функцией является энтропия.

 В равновесной термодинамике нет уравнения, аналогичного уравнению движения в механике. Но здесь есть уравнение (равновесного) состояния. Как уже отмечалось, в термодинамике для описания состояния термодинамической системы считается достаточным охарактеризовать ее термодинамическими параметрами, такими как давление, температура и объем, и в ряде случаев еще некоторыми. Обычно этих трех параметров бывает достаточно, если не требуется знания концентраций различных компонентов в смесях (при химических реакциях) и не рассматриваются электрические и магнитные влияния.

 


Мерой инертности твердого тела