- •§ 8.1. Склад і характеристики ядра 84
- •§ 8.2. Дефект маси та енергія зв’язку ядра. Ядерні сили 86
- •§ 4.1. Магнітне поле і його характеристики. Дія магнітного поля на контур зі струмом. Принцип суперпозиції. Класифікація магнетиків
- •§ 4.2. Закон Біо – Савара – Лапласа. Магнітне поле прямолінійного та колового струмів
- •§ 4.3. Циркуляція вектора напруженості магнітного поля. Вихровий характер магнітного поля. Поле довгого соленоїда
- •§ 4.4. Дія магнітного поля на струм; сила Ампера. Магнітна взаємодія струмів
- •§ 4.5. Сила Лоренца. Рух електричних зарядів в магнітному полі
- •§ 4.6. Магнітний потік. Теорема Гауса для магнітного поля
- •§ 4.7. Робота переміщення провідника та контура зі струмом в магнітному полі
- •§ 4.8. Явище електромагнітної індукції. Закон Фарадея. Правило Ленца
- •§ 4.9. Індуктивність контура. Явище самоіндукції. Енергія магнітного поля
- •§ 4.10. Магнітне поле в речовині
- •§ 4.11. Вихрове електричне поле
- •§ 4.12. Струми зміщення. Теорема про циркуляцію вектора напруженості магнітного поля (закон повного струму)
- •§ 4.13. Система рівнянь Максвелла. Електромагнітне поле
- •§ 5.1. Гармонічні коливання. Диференціальне рівняння гармонічних коливань та його розв’язок. Амплітуда, фаза, частота, період коливань
- •§ 5.2. Математичний маятник
- •§ 5.3.Фізичний маятник
- •§ 5.4. Енергія гармонічних коливань
- •§ 5.5. Додавання однаково направлених гармонічних коливань однакової частоти
- •§ 5.6. Додавання взаємно перпендикулярних коливань
- •§ 5.7. Згасаючі коливання
- •§ 5.8. Вимушені коливання
- •§ 5.9. Поняття хвилі, рівняння хвилі. Поздовжні і поперечні хвилі. Фронт хвилі і хвильові поверхні. Довжина хвилі, хвильове число, фазова швидкість.
- •§ 5.10. Хвильове рівняння
- •§ 5.11. Енергія пружної хвилі
- •§ 5.12. Групова швидкість і дисперсія хвиль
- •§ 5.13. Стоячі хвилі
- •§ 5.14. Електромагнітні коливання
- •§ 5.15. Вимушені електромагнітні коливання
- •§ 5.16. Електромагнітні хвилі. Шкала електромагнітних хвиль
- •§ 5.17. Енергія електромагнітних хвиль. Вектор Умова-Пойнтінга
- •Розділ 6. Оптика.
- •§ 6.1. Елементи геометричної оптики: закони відбивання і заломлення світла; тонкі лінзи
- •§ 6.2. Монохроматичні світлові хвилі
- •§ 6.3. Інтерференція світла
- •§ 6.4. Інтерференція світла на тонких плівках
- •§ 6.5. Дифракція світла. Принцип Гюйгенса - Френеля. Метод зон Френеля
- •§ 6.6. Дифракція Фраунгофера
- •§ 6.7. Дифракція рентгенівських променів
- •§ 6.8. Поляризація світла. Типи і способи поляризації
- •§ 6.9. Інтерференція поляризованих променів. Обертання площини поляризації
- •§ 6.10. Дисперсія світла
- •§ 6.11. Квантова природа випромінювання. Теплове випромінювання
- •§ 6.12. Фотоефект
- •§ 6.13. Тиск світла
- •§ 6.14. Ефект Комптона
- •§ 6.15. Гальмівне рентгенівське випромінювання
- •§ 7.1. Ядерна модель атома. Борівський воднеподібний атом. Спектральні серії
- •§ 7.2. Корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії; гіпотеза де Бройля. Співвідношення невизначеностей Гайзенберга
- •§ 7.3. Хвильова функція та її зміст. Рівняння Шредінгера
- •§ 7.4. Частинка в одновимірній прямокутній потенціальній ямі. Проходження частинки через потенціальний бар’єр
- •§ 7.5. Квантовий лінійний гармонічний осцилятор
- •§ 7.6. Воднеподібні атоми в квантовій механіці. Квантові числа
- •§ 7.7. Магнітний момент атомів. Досліди Штерна і Герлаха. Власний момент електрона (спін). Ферміони і бозони
- •§ 7.8. Принцип Паулі. Стани електронів в складних атомах
- •§ 7.9. Характеристичне рентгенівське випромінювання
- •§ 7.10. Енергія молекул. Молекулярні спектри
- •§ 7.11. Люмінесценція
- •§ 7.12. Поглинання, спонтанне і вимушене випромінювання. Квантові генератори
- •§ 7.13. Теплові коливання кристалічної гратки і теплоємність твердих тіл
- •§ 7.14. Елементи зонної теорії твердих тіл
- •§ 7.14.2. Розподіл частинок з напівцілим спіном (ферміонів), в т.Ч. І електронів, за енергіями описується квантовою функцією розподілу Фермі-Дірака
- •§ 7.15. Електропровідність металів і напівпровідників
- •§ 7.16. Напівпровідникові структури
- •§ 8.1. Склад і характеристики ядра
- •§ 8.2. Дефект маси та енергія зв’язку ядра. Ядерні сили
- •§ 8.3. Радіоактивність
- •§ 8.4. Ядерні реакції
- •§ 8.5. Елементарні частинки та фундаментальні взаємодії
§ 7.13. Теплові коливання кристалічної гратки і теплоємність твердих тіл
7
Рис.7.24
В рамках класичної фізики при атоми повинні перебувати на дні потенціальної ями, на відстані r0 один від одного. І, звичайно, бути нерухомими. З підвищенням температури енергія атомів зростає, і кожен атом починає здійснювати коливний рух відносно рівноважного положення між точками А і В. При дуже низьких температурах ці коливання можна вважати гармонічними, бо залежність Ер(r) – приблизно параболічна. При вищих температурах, як видно з рис. 7.24, з’являється асиметрія відхилень від рівноважного положення r0: коливання стають ангармонічними. За рахунок ангармонізму середня відстань між атомами (штрих-пунктир) з ростом температури збільшується – має місце теплове розширення твердих тіл.
Оскільки три взаємноперпендикулярні напрямки коливань є рівноправними, то можна вважати, що атом в кристалічній гратці володіє трьома коливними ступенями вільності (і = 3). Якщо знехтувати ефектом ангармонізму, то теплові коливання окремого атома можна моделювати сукупністю трьох незалежних лінійних осциляторів. Будемо вважати коливання окремих атомів незалежними. Тоді для одного моля речовини кількість ступенів вільності коливного руху складатиме 3NA, де NA – число Авогадро. В класичній фізиці на одну ступінь вільності коливного руху припадає енергія k0Т, де k0 – постійна Больцмана. Отже, внутрішня енергія моля твердого тіла
Рис.7.25
де R – універсальна газова стала.
Молярна теплоємність тіла
. (7.80)
Такий результат (закон Дюлонга-Пті) підтверджується експериментально для багатьох простих кристалічних речовин при високих температурах. Але при низьких температурах експеримент (рис.7.25) і класична теорія катастрофічно розходяться. Зокрема, при дуже низьких температурах виконується “закон кубів Дебая” , у відповідності з яким .
7.13.2. Першу спробу узгодити експеримент з теорією здійснив А. Ейнштейн (1907 р.), який залишивши тезу про незалежність осциляторів, запропонував вважати останні не класичними, а квантовими. Як показано в § 7.5, енергія квантового лінійного осцилятора
.
Ейнштейн припустив, що всі осцилятори коливаються з однаковою частотою , а їх розподіл за енергією описується класичною функцією розподілу Максвелла-Больцмана
,
де N0 – загальна кількість атомів, а – кількість атомів, коливна енергія яких складає . Тоді середня енергія одного осцилятора, тобто енергія, що припадає на одну ступінь вільності,
. (7.81)
Після математичних перетворень останній вираз запишеться як
. (7.82)
Внутрішня енергія одного моля твердого тіла
,
а молярна теплоємність
. (7.83)
При високих температурах, коли k0Т>>h, формула (7.83) дає , тобто закон Дюлонга-Пті. При низьких температурах, коли k0Т<<h, отримаємо
. (7.84)
Оскільки експоненційна залежність сильніша від степеневої, то (7.84) дає зменшення теплоємності з пониженням температури, що лише якісно узгоджується з експериментом (рис. 7.25), але не забезпечує кількісно виконання “закону кубів Дебая”. Для розділення областей високотемпературного і низькотемпературного наближень вводиться характеристична температура Ейнштейна E, при якій k0E = h; звідси . Отже, при T >> E виконується закон Дюлонга-Пті; при T << E виконується залежність (7.84).
7.13.3 Подальше удосконалення теорії, здійснене Дебаєм (1912 р.), полягає в тому, що коливання атомів кристалічної гратки вже не вважаються незалежними, а в кристалі встановлюється система т.з. нормальних коливань з частотою від 0 до ; при цьому в коливанні певної частоти беруть участь усі атоми ґратки. Розрахунок дає для кількості нормальних коливань, частоти яких лежать в межах від до +d, в одному молі речовини
. (7.85)
Поява максимальної частоти зумовлена тим, що загальна кількість нормальних коливань повинна дорівнювати кількості ступенів вільності коливного руху атомів моля кристалу, тобто
Розглядаючи кожне нормальне коливання як квантовий лінійний осцилятор, для внутрішньої енергії одного моля кристалу отримаємо
,
а після підстановки формул (7.81) та (7.85) і математичних перетворень
. (7.86)
Ввівши підстановку , отримаємо вираз для молярної теплоємності кристалу
(7.87)
За аналогією з попереднім введемо характеристичну температуру Дебая Д, використавши співвідношення ; звідси
.
Оскільки , то (7.87) після інтегрування набуде вигляду
.
При високих температурах (Т >> Д), коли x0, використавши наближення , отримаємо , тобто закон Дюлонга-Пті. При низьких температурах (Т << Д), коли xmax, отримаємо “закон кубів Дебая”
, (7.88)
який кількісно узгоджується з експериментом (рис.7.25).
В рамках концепції корпускулярно-хвильового дуалізму речовини зміну енергії коливного руху кристалічної гратки можна описати процесами випромінювання чи поглинання особливої квазічастинки – фонона, яка володіє нульовим спіном і тому належить до класу бозонів (§7.7) .