Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Lektsii.doc
Скачиваний:
46
Добавлен:
09.04.2015
Размер:
16.75 Mб
Скачать

6.4. Функции распределения Ферми –Дирака и Бозе –Энштейна

Фермионы и бозоны обладают различными свойствами.

Свойства фермионов:

  1. Подчиняются принципу Паули: (в одном состоянии может находиться не более 1 частицы).

  2. Система фермионов описывается статистикой Ферми – Дирака (см. рис.6.1)

распределение Ферми – Дирака, (6.1)

гдеfф– вероятность заполнения уровня одной частицей.- энергияi-го уровня,- химический потенциал (см. ниже),k- постоянная Больцмана, Т - температура.

  1. При малых значениях энергии: величина, и мы получаем, что вероятность заполнения уровняf=1, т. е. такие состояния с вероятностьюf = 1заполнены одной час­тицей (больше нельзя).(см рис.6.1.)

  2. При вероятность заполнения лежит в диапазоне, следовательно уровни в окрестностизаполнены частично.

  3. При величина, вероятность заполнения f  0, уровни не заполнены (рис.6.1.).

Свойства бозонов:

  1. Бозоны не подчиняются принципу Паули (в одном состоянии может быть много бо­зонов).

  2. Система бозонов описывается статистикой Бозе – Эйнштейна(см. рис.6.2).

(6.2.)

У бозонов (т. к .иначе может быть, что лишено смысла)

Остановимся на физическом смысле химического потенциала. Первое начало термодинамики для системы с переменной массой имеет вид:

, (6.3)

где dn- изменение энергии системы за счет изменения числа частицdn.

Отсюда следует, что

Физический смысл химического потенциала заключается в том, что он численно равен изменению внутренней энер­гии системы при увеличении системы на 1 частицу при изохорно-изоэнтропийном процессеV = const, S = const (Q= 0; dV = 0).

6.5. Понятие о вырождении.

Система частиц называется вырожденной, если ее свойства за счет квантовых эффектов отличаются от свойств классических систем.

Параметром вырождения Аназывается величина

A=exp (/kT)(6.4.)

Обе квантовые статистики можно представить в виде

(6.5)

  1. При А1 величинаи вкладом+1 в (6.5.) можно пренебречь. В результате получаем распреде­ление Больцмана, т. е. классическую статистику.

  2. Чем выше температура, тем меньше А и тем более классическим становится распределение.

  3. Температура, при которой начинаются квантовые эффекты, называется тем­пературой вырождения Тв.

При Т Тв- газ вырожден и подчиняется квантовым статистикам.

При Т  Тв- газ не вырожден, подчиняется статистике Максвелла-Больц­мана.

Для газа температура вырождения определяется из формулы:

(6.6)

где n0- концентрация, ħ=h/2π- постоянная Планка,m- масса частицы,k- постоян­ная Больцмана. Примеры:

1) Для водорода Тв = 1К. В обычных условиях газ водорода не вы­рожден.

  1. Для свободных электронов в металлах Тв =20000К. Электроны в металлах вырождены.

  2. Для газа фотонов Тв = .Газ фотонов всегда вырожден.

6.6. Вырожденный Ферми-газ в металлах

  1. Рассмотрим случай Т =0.

При Т = 0 все уровни с энергиейW < 0заполнены 1 частицей, а все уровни сW 0– свободны (см. рис.6.3).

ЭнергияW = 0 называется еще энергией Ферми.

Распределение Ферми при Т=0 имеет вид прямоугольника.

  1. При Т 0 , (см. рис.6.1) лишь часть электронов в окрестности0могут повышать свою энергию. Это приводит к тому, что в теплоемкости участвует лишь малая часть электронов.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]