2149
.pdfОтметим, что фактически речь идет об эффективной массе электрона.
Мы видим, что число состояний растет как корень из энергии. Увеличение числа состояний отражает применимость квантовой статистики.
Критерий вырождения ферми-газа
Интегрируя в пределах от 0 до E, найдем
число состояний |
|
|
в этом интервале: |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
∫ |
( ) |
|
|
|
|
|
|
∫ |
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
|
|
) ⁄ |
( ) ⁄ |
|||||||
|
|
|
|
⁄ |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
⁄ . |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Для свободной частицы |
|
|
→ |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
( ) ⁄ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
⁄ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
) ⁄ |
||
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
|
|
|
) ⁄ . |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Учитывая, что |
⁄ |
|
|
|
|
получаем |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
⁄ |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Теперь критерий вырождения имеет харак- |
|||||||||||||||||||||||||||||
тер расчетной формулы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Для электронов |
|
в |
металле |
|
м , |
||||||||||||||||||||||||
|
кг. Температура получается |
это |
за пределами реальных условий. Таким образом, электронный газ в металлах всегда вырожден и описывается статистикой Ферми–Дирака.
61
Вырожденный газ фермионов
Введем определения. Распределение Ферми– Дирака имеет вид
( ) |
|
|
|
|
, |
|||
|
|
|
|
|
|
где – химический потенциал вырожденного газа фермионов. В этом случае для него существует специальное название – энергия Ферми
Е.
Видим, что при |
, е |
→ |
|
. |
|
Энергетический уровень с энергией Ферми – уровень Ферми – это уровень, вероятность запол-
нения которого равна . В квантовой статистике
химический потенциал имеет простой физический смысл.
Рассмотрим важный пример электронов в металле. Для свободных электронов металл является своего рода потенциальной ямой, выход из которой потребует затрат энергии (работы) на преодоление сил связи (работа выхода, например фотоэффект). Пусть температура Т = 0 К, по сравнению с температурой вырождения это приближение охватывает реальный диапазон температур. Возможны два случая (рис. 2).
Если |
, |
|
|
→ |
→ 0 → |
→ 1. |
|
|
|
||||||
Если |
, |
|
|
|
→ |
→ → |
→ 0. |
|
|
|
62
Рис. 2. Функция статистического распределения Ферми–Дирака для Т = 0 К
Итоговое распределение имеет вид
( ) |
{ |
. |
Функция обрывается при значениях Составим схему энергетических уровней
металла при Т = 0 К (рис. 3). Горизонтальные линии изображают квантовые состояния электронного газа в металлах. Согласно принципу Паули на каждом уровне находятся по два электрона с противоположно направленными спинами. Если всего N электронов, то последний заполненный уровень ⁄ . Это и есть по своему определению уровень Ферми. Он соответствует энергии Ферми , то есть максимальной кинетической энергии, которой могут обладать электроны в металле при Т = 0 К.
63
Рис. 3. Схема энергетических уровней в металле при Т = 0 К
Итак, при Т = 0 К все состояния с энергией заняты электронами, а состояния с
свободны.
Отметим, мы понимаем, что речь идёт о средних числах заполнения. Обменные взаимодействия постоянно меняют конкретные электроны на конкретном уровне.
Энергетические уровни электронного газа не
эквидистантны |
( ) |
√ . |
Полная функция |
распределения вида |
|
|
|
|
( |
) |
( ) |
принимает следующий вид (рис. 4):
{ |
|
( |
) ⁄ √ |
. |
|
||||
|
|
|
64
Рис. 4. График зависимости полной функции распределения от энергии
На графике заштрихована область занятых состояний. Знание полной функции распределения позволяет найти величину энергии Ферми. Действительно, полное число частиц с энергиями в интервале от 0 до и есть .
Случай, когда , соответствует сильному вырождению.
∫ |
|
|
( ) |
|
|
( ) ⁄ ∫ |
|
|
⁄ |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
) ⁄ , |
|
|
|
⁄ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
→ |
|
|
( |
|
|
) ⁄ |
|
⁄ |
|
|
|
. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, уровень Ферми определяется постоянными величинами и концентрацией электронов.
Внутренняя энергия ферми-газа U определяется через :
65
|
|
∫ |
|
( ) |
|
|
( ) ⁄ |
∫ |
⁄ |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
( |
) ⁄ |
|
( ) ⁄ |
|
|
|
( |
|
|
) ⁄ |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
( |
) ⁄ |
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Тогда средняя |
|
энергия |
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
Зная |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
энергию Ферми, можно определить максимальную
√ и среднюю кв √ скорости движения
свободных электронов. Также вводят температуру Ферми . Мы видим, что число состояний
и число частиц определяются идентичными выражениями. Действительно, полное число состояний мы нашли, интегрируя именно до . Поэтому за температуру вырождения принимаем именно температуру Ферми .
Приведем в таблице пример величин параметров ферми-газа.
Металл |
эВв |
|
м |
|
м |
|
|
эВ |
кв |
|
|
|
|||
с |
с |
|
|||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Na |
3,12 |
1,9 |
1,1 |
0,85 |
|
|
3,7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Cu |
7,1 |
4,3 |
1,6 |
1,25 |
|
|
8,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ag |
5,5 |
3,3 |
1,4 |
1,1 |
|
|
6,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Видим, что температура Ферми, вырождения ферми-газа электронов очень велика
( ) ⁄ .
66
Но если газ составлен из тяжелых частиц, поскольку масса одного нуклона почти в 2000 раз больше массы электрона, то температура вырождения составляет максимум десятки кельвинов, когда все газы, кроме гелия, ожижены. В действительности и гелий, который имеет 4 нуклона, вполне вписывается в ряд. Поэтому в реальных условиях к газам обычных молекул применима классическая статистика.
Мы рассмотрели ферми-газ при Т = 0 К. Частицы в состояниях с не участвуют фактически в тепловом движении. Переходы на соседние, уже занятые уровни, для них запрещены. Выходы на свободные уровни выше для большинства электронов маловероятны. Но давление такого ферми-газа велико, о чем свидетельствует высокое значение средней энергии , которая того же порядка, что и энергия Ферми. Для вычисления энергии Ферми в предположении, что каждый атом отдал один электрон, достаточно знать плотность металла. Рассмотрим влияние конечной температуры Т Т .
Влияние температуры на распределение Ферми–Дирака
С повышением температуры электроны подвергаются тепловому возбуждению и переходят на более высокие энергетические уровни, что изменя-
67
ет их исходное распределение по состояниям (рис. 5). Реально энергия kT значительно меньше уровня Ферми, и тепловому возбуждению подвергаются лишь электроны непосредственно вблизи уровня Ферми в узкой полосе шириной kT. Электроны более глубоких уровней останутся практически не затронутыми.
Рис. 5. Исходная функция статистического распределения Ферми–Дирака для Т = 0 К
Повышение температуры вызывает размытие распределения на глубину kT и появление так называемого «хвоста» распределения (рис. 6).
Рис. 6. Влияние температуры на распределение Ферми–Дирака
68
Чем выше температура, тем более существенно изменение формы распределения. Дей-
ствительно, при |
распределение Ферми– |
Дирака должно |
перейти в классическое. Итак, |
в тепловых и кинетических явлениях участвует лишь малое число электронов.
Примечание: сферу в пространстве импульсов называют ферми-сферой, в общем случае поверхностью Ферми.
Бозе-газ
Функция статистического распределения бозонов – распределение Бозе–Эйнштейна – имеет вид
|
|
|
Б( ) |
|
. |
||
|
|
|
|
||||
|
Для этих частиц нет ограничений на их чис- |
||||||
ло в одном состоянии. Примем, что |
|||||||
( ) |
|
|
|
|
|||
√ d согласно |
результатам нашего |
рассмотрения числа состояний частицы в фазовом
пространстве, |
не уточняя |
вид коэффициент |
. |
|||||||
Здесь – объем, в котором движется частица, |
– |
|||||||||
ее энергия. Для бозонного газа число частиц |
|
|||||||||
|
|
∫ |
|
|
√ |
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где |
(иначе при |
|
имеем расходящийся |
|||||||
интеграл, |
что |
лишено |
физического смысла), |
69
а предел ∞ соответствует условию теоретически неограниченной энергии бозона.
Конденсация Бозе–Эйнштейна
Будем уменьшать температуру Т, оставляя постоянными V и N. Тогда знаменатель дроби в показателе экспоненты убывает. Поскольку определяющий N интеграл должен сохранять свое значение, то числитель этой дроби тоже должен уменьшаться. Это может происходить только за счёт уменьшения химического потенциала при охлаждении бозе-газа. Самое большое значение достигается при некотором значении температуры
и составляет . Тогда формула для N принимает вид
∫ √
( ) ⁄ ,
произведена замена переменной на
где |
∫∞ |
√ |
|
|
. |
|
|
Отсюда можно определить температуру вырождения . За исключением гелия, температура для обычных газов существенно ниже температуры их обычной конденсации. Для таких систем состояние с недостижимо за обсуждаемым
ниже исключением.
70