דף נוסחאות במכניקה סטטיסטית
Transcription
דף נוסחאות במכניקה סטטיסטית
דף נוסחאות במכניקה סטטיסטית 1 צבר מיקרו־קאנוני • אנטרופיה של מערכת ), S(E) = kB ln Γ(E) ≈ kB ln Σ(E כאשר ) Γ(Eהוא מספר המצבים באנרגיה Eו־) Σ(Eבאנרגיה נמוכה מ־ .Eניתן לקשר בין שני הפונקציות הללו כך, )dΣ(E dE ≡ )ω(E ∆), Γ(E) = ω(E כאשר ∆הוא פרמטר שמגדיר שכבת אנרגיה קטנה. • עבור גז אידאלי של Nחלקיקים עם מסה mבנפח Vמספר המצבים ניתן לחישוב כ־ ˆ 1 N !hN d3N pd3N q = ) Σ(E, V, N H(q,p)≤E • מהחישוב נקבל את האנטרופיה של גז אידאלי: 5 + N kB 2 3/2 # 4πmE 3N h2 " V S(E, V, N ) = N kB ln N • הנגזרות של האנטרופיה 1 P µ dE + dV − dN T T T = dS • מהנגזרות ניתן להגדיר את השדות השונים במערכת )טמפ' ,לחץ ופוט' כימי(: E,V 2 ∂S ∂V µ =− T E,N ∂S ∂V P = T V,N ∂S ∂E צבר קאנוני • פונקציות החלוקה הקאנונית: )e−βE(C X = )Z(β C כאשר β = 1/kB Tוהסכום הוא על כל המצבים של המערכת .ההסתברות לכל מצב היא )1 −βE(C e )Z(β = )P (C • אנרגיה חופשית: )F (β) = −kB T ln Z(β • אנרגיה ממוצעת בטמפרטורה נתונה: )1 −βE(C )∂ ln Z(β e =− )Z(β ∂β 1 )E(C X C ¯ )E(β = 1 = T • פונקצית החלוקה הקאנונית של גז אידאלי: NV λ3T כאשר h2 /2πmkB T p 3/2 = 2πmkB T h2 3/2 = NV 2πm h2 β .F (T, V, N ) = N V ≡ λTנקרא אורך הגל התרמי. • הנגזרות של האנרגיה החופשית dF = −SdT − P dV + µdN • מהנגזרות ניתן להגדיר את השדות השונים במערכת )טמפ' ,לחץ ופוט' כימי(: T,V 3 ∂F ∂N ∂F ∂V =µ T,N P =− V,N ∂F ∂T S=− צבר גראנד־קאנוני • פונקציות החלוקה הגראנד־קאנונית: )z N (C) e−βE(C X = )L(β, z C כאשר z ,β = 1/kB Tהיא הפוגסיות שמוגדרת מתוך הפוטנציאל הכימי כ־ .z = eβµההסתברות לכל מצב היא 1 )z N (C) e−βE(C )L(β, z = )P (C • לחץ בצבר הגרנד־קנוני )P V = kB T ln L(β, z • מספר חלקיקים ממוצע בטמפרטורה ופוטנציאל כימי נתונים: 1 )∂ ln L(β, z z N (C) e−βE(C) = z )L(β, z ∂z )N (C X C • אנרגיה ממוצעת בטמפרטורה ופוטנציאל כימי נתונים: )∂ ln L(β, z ¯ )¯ (β, z E(β, z) = − + µN ∂β 4 גזים קוונטים • פונקצית החלוקה: Y ) (1 + ze−β =Z Y =Z Fermions : 1 1 − ze−β 2 Bosons : = )¯ (β, z N • התפלגות פרמי־דיראק ובוזה איינשטיין )מספר חלקיקים ברמת אנרגיה בצבר גרנד קנוני(: 1 z −1 eβ + 1 1 n() = −1 β z e −1 Fermions : = )(n Bosons : • צפיפות מצבי אנרגיה )מספר מצבים באנרגיה מסוימת של חלקיק חופשי עם מסה mבקופסא בגודל Ldללא ספין(: r L m = )(One dimension: g π~ 2 mL2 = )(Two dimensions: g 2π~2 3 √ L (2π)3/2 = )(Three dimensions: g 4π 2 ~3 • מספר חלקיקים ממוצע: ˆ = ¯ = z ∂ ln Z N ∂z )(dg()n • אנרגיה ממוצעת : ˆ )(dg()n ¯ = − ∂ ln Z + ln z N = ¯ E ∂β β • מציאת אנרגית פרמי: F ˆ =N )(dg 0 • תנאי לעיבוי בוזה איינשטיין :קיום T 6= 0שעבורו מספר החלקיקים כאשר z = 1מתכנס ∞ ˆ 1 ¯ =N dg() β e −1 0 מעבר לטמפ' זו ,אם מספר החלקיקים במערכת יהיה גדול ממספר זה ,עודף החלקיקים יתרכז ברמת הייסוד. 5 עזרים מתמטיים • נפח כדור N־מימדי ברדיוס :R π N/2 π N/2 N ≈ RN R )Γ(N/2 + 1 !)(N/2 = )VN (R • קירוב סטירלינג: ln(N !) ≈ N ln N − N • אינטרגל גאוסיאני: π 1/2 a 2 ∞ ˆ = e−ax ∞− • סדרה הנדסית 1 − qN 1−q q<1 for a1 q n−1 = a1 N X n=1 a1 1−q 3 = a1 q n−1 ∞ X n=1