
- •8.2. Фотоэффект. Фотоны
- •8.3. Эффект Комптона *)
- •Давление света
- •Эффект Комптона
- •3. Число состояний частицы в определённом интервале энергий. Распределение по энергиям
- •4.2. Пpинцип тождественности частиц. Феpмионы и бозоны. Пpинцип запpета Паули.
- •3.2. Уpавнение Шpедингеpа. Волновая функция. Волны де-Бpойля
3. Число состояний частицы в определённом интервале энергий. Распределение по энергиям
Число частиц с энергиями в
интервале
пропорционально
:
.
Наша задача найти функцию распределения
по энергиям
.
Е
сли
мы найдём функцию g(E),
тогда автоматически мы найдём и f(E),
–
число состояний, приходящихся на интервал
энергий
.
Это можно условно так изобразить: на
шкале энергий отдельные значения энергии
(энергия меняется дискретно), число
палочек в интервале энергий
это
как раз будет число состояний
.
Проблема теперь упирается в нахождение
этой функции g(E).
Мы рассматривали частицу в
ящике, и там были найдены возможные
состояния, напомню, что любая тройка
целых чисел
задаёт
состояние с волновой функцией
.
Перебирая все тройки чисел, мы получим
все возможные состояния. А теперь у нас
задача такая: задать интервал энергии
и перебрать все возможные состояния,
энергия которых попадёт в этот интервал.
Задача на первый взгляд страшно трудная,
на самом деле решаемая и довольно
элементарно. Можно было бы отталкиваться
от решения для ящика, но применяется
другой трюк более удобный.
Будем считать, что
волновая функция частицы не такая, как
там было найдено для частицы в ящике, а
волновая функция имеет вид
с
граничными условиями:1)
Это означает, что
Ну, и
-
целые числа
Если б мы рассматривали свободную
частицу в пространстве, любой вектор
был
бы допустим, когда мы рассматриваем
частицу в ящике, то не любые векторы
задают
состояния, а каждая компонента вектора
должна быть кратной величине
.
В
екторы
могут
быть такими, как на рис.3.3, они дискретны,
проекции вектора
должны
быть кратны числу
.
Мы имеем дискретный набор точек и теперь
мы их можем считать. Мы видим, что на
одно состояние в этом пространстве
волновых чисел или k-пространстве
приходится ячейка с объёмом
.
А теперь мы можем ответить на
вопрос о том, сколько состояний приходится
на заданный интервал энергии. Для частицы
с массой m
.
В k-пространстве
энергии E отвечает
сфера радиуса
,
и тогда все точки k-пространства,
которые находятся внутри этой сферы,
отвечают состояниям, энергия которых
меньше E. Тогда число
состояний с энергией в интервале [0, E]
это будет объём сферы, делённый на объём,
приходящийся на одно состояние.
Число состояний NE с энергиями в интервале [0, E], будет равняться
,
где V
= L3
А тогда число состояний в
интервале
мы
получим просто дифференцированием:
Тогда число частиц, для которых
,
равно
Это не то, что нас интересует. Это не распределение по энергиям – это распределение по волновым числам. А теперь мы вернёмся к распределению по энергиям.
Фермионы с массой m.
,
нам теперь надо просто перейти от k
к E.
.
На самом деле, мы это учли движение частицы в целом, частица может иметь ещё внутренние состояния, связанные с её спином, тогда эта формула подправится, и мы напишем так:
Этот множитель 2(j+1)
– это число проекций спина на выбранную
ось. Для электронов
и
2j+1 = 2, то есть число
состояний удваивается, тогда для
идеального фермионного газа
распределение по энергиям выглядит
так:
Такой множитель запоминать это безумие, важно, что функция распределения (что вы должны помнить, придя на экзамен)
На
что похожа эта функция?
|
|
|
|
Интеграл
должен
равняться полному числу частиц N.
Для фермионного газа
,
если этот интеграл взять, можно определить
.