![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •А. В. Ширшова физика твердого тела
- •Глава 1. Азбука кристаллографии…………………………..…...….….43
- •I. Рабочая программа Пояснительная записка.
- •Содержание дисциплины
- •Контрольные вопросы к экзамену.
- •Методические указания к практическим
- •1.2. Система координат.
- •1. 3. Индексы узлов, узловых прямых и узловых плоскостей.
- •1. 4. Элементарная ячейка кристалла.
- •1. 5. Элементы симметрии.
- •1. 6. Cингонии.
- •2. Практическая часть работы.
- •Варианты заданий
- •Приложение
- •Характеристика сингоний кристаллов.
- •Характеристика различных типов решеток.
- •Связь между индексами (hkl), величиной d и периодами решетки a, b, с для каждой сингонии.
- •Число идентичных плоскостей p для совокупностей с разными индексами в кубической сингонии.
- •III. Тесты для самоконтроля студентов
- •IV. Конспект лекций
- •Глава 1. Азбука кристаллографии
- •Пространственная решетка
- •1.2. Система координат.
- •1. 3. Индексы узлов, узловых прямых и узловых плоскостей.
- •1.4. Элементарная ячейка кристалла.
- •1. 5. Элементы симметрии.
- •1. 6. Cингонии.
- •1.7. Обратная решетка
- •Приложение к главе 1
- •Характеристика сингоний кристаллов.
- •Связь между индексами (hkl), величиной d и периодами решетки a, b, с для каждой сингонии.
- •Число идентичных плоскостей p для совокупностей с разными индексами в кубической сингонии.
- •Глава2. Методы структурного анализа
- •2.1. Общие положения.
- •2.2. Дифракция Вульфа – Брэгга.
- •2.3. Метод Лауэ.
- •2.4. Метод вращения кристалла.
- •2.5 . Порошковый метод Дебая – Шеррера.
- •Глава 3. Межатомное взаимодействие. Основные типы связей в твердых телах
- •3.1. Классификация твердых тел. Типы связей
- •3.2. Энергия связи
- •3.3. Молекулярные кристаллы
- •3.4. Ионные кристаллы
- •3.5. Ковалентные кристаллы
- •3.6. Металлы
- •Глава 4. Элементы квантовой статистики
- •4.1. Квантовая статистика. Фазовое пространство. Функция распределения
- •4.2. Понятие о квантовой статистике Бозе — Эйнштейна и Ферми- — Дирака
- •4.3. Вырожденный электронный газ в металлах
- •4.4. Понятие о квантовой теории теплоемкости. Фононы
- •4.5. Выводы квантовой теории электропроводности металлов
- •4.6. Сверхпроводимость. Понятие об эффекте Джозефсона
- •Глава 5. Электрические свойства твердых тел.
- •5.1. Понятие о зонной теории твердых тел
- •5.2. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории
- •5.3. Собственная проводимость полупроводников
- •5.4. Примесная проводимость полупроводников
- •5. 5. Фотопроводимость
- •5 6. Люминесценция твердых тел
- •5.7. Контакт двух металлов по зонной теории
- •5 8. Термоэлектрические явления и их применение
- •Физика твердого тела
- •625003, Г. Тюмень, ул. Семакова, 10.
4.2. Понятие о квантовой статистике Бозе — Эйнштейна и Ферми- — Дирака
Одним из важнейших «объектов» изучения квантовой статистики, как и классической, является идеальный газ. Это связано с тем, что во многих случаях реальную систему можно в хорошем приближении считать идеальным газом. Состояние системы невзаимодействующих частиц задается с помощью так называемых чисел заполнения N — чисел, указывающих степень заполнения квантового состояния (характеризуется данным набором i квантовых чисел) частицами системы, состоящей из многих тождественных частиц.
Для
систем частиц, образованных бозонами
— частицами
с нулевым или целым спином),
числа заполнения могут принимать любые
целые значения: 0, 1, 2, ... . Для систем
частиц, образованных фермионами
—
частицами
с полуцелым спином,
числа заполнения могут принимать лишь
два значения: 0 для свободных состояний
и 1 для занятых . Сумма всех чисел
заполнения должна быть равна числу
частиц системы. Квантовая статистика
позволяет подсчитать среднее число
частиц в данном квантовом состоянии,
т. е. определить средние числа заполнения
.
Идеальный газ из бозонов — бозе-газ — описывается квантовой статистикой Бозе — Эйнштейна . Распределение бозонов по энергиям вытекает из так называемого большого канонического распределения Гиббса (с переменным числом частиц) при условии, что число тождественных бозонов в данном квантовом состоянии может быть любым:
(4.2.1)
Это
распределение называется распределением
Бозе — Эйнштейна.
Здесь
— среднее число бозонов в квантовом
состоянии с энергией Ei,
k
— постоянная Больцмана, Т — термодинамическая
температура,
—
химический потенциал;
не зависит от энергии, а определяется
только температурой и плотностью числа
частиц. Химический потенциал находится
обычно из условия, что сумма всех
равна
полному числу частиц в системе. Здесь
,
так как иначе среднее число частиц в
данном квантовом состоянии отрицательно,
что не имеет физического смысла. Он
определяет изменение внутренней энергии
системы при добавлении к ней одной
частицы при условии, что все остальные
величины, от которых зависит внутренняя
энергия (энтропия, объем), фиксированы.
Идеальный газ из фермионов — ферми-газ — описывается квантовой статистикой Ферми — Дирака . Распределение фермионов по энергиям имеет вид
,
(4.2.2)
где
— среднее число фермионов в квантовом
состоянии с энергией
,
—
химический потенциал. В отличие от
(4.2.1)
может иметь положительное значение
(это не приводит к отрицательным значениям
чисел
).
Это распределение называется распределением
Ферми — Дирака.
Если
,
то распределения Бозе — Эйнштейна
(4.2.1) и Ферми — Дирака (4.2.2) переходят в
классическое распределение Максвелла
— Больцмана:
(4.2.3)
Таким образом, при высоких температурах оба «квантовых» газа ведут себя подобно классическому газу.
Система частиц называется вырожденной, если ее свойства существенным образом отличаются от свойств систем, подчи-няющихся классической статистике. Поведение как бозе-газа, так и ферми-газа отличается от классического газа, они являются вырожденными газами. Вырождение газов становится существенным при весьма низких температурах и больших плотностях. Параметром вырождения называется величина А. При A <<1, т.е. при малой степени вырождения, распределения Бозе — Эйнштейна (4.2.1) и Ферми — Дирака (4.2.2) переходят в классическое распределение Максвелла — Больцмана .
Температурой
вырождения
называется
температура, ниже которой отчетливо
проявляются квантовые свойства идеального
газа, обусловленные тождественностью
частиц,
т.е.
— температура, при которой вырождение
становится существенным. Если
,
то поведение системы частиц (газа)
описывается классическими законами.