Задача 6. Знайти вираз для температури виродження ультрарелятивістського електронного газу
Розв’язання. Число квантових станів, яке припадає на об’єм V та проміжок імпульсу dP фазового простору у перерахуванні на одну частинку дорівнює
;
в нашому випадку
- спін електрона. Для ультрарелятивістського газу
, що дає
.
Повне число електронів N за розподілом Фермі–Дірака запишемо у вигляді
. (1)
Газ є невиродженим за умови
, що дозволяє знехтувати одиницею в знаменнику (1). Отже,
,
звідки після інтегрування маємо
,
де
- густина частинок.
Температура виродження T0 визначається з рівності
,
що остаточно дає
.
Задача 7. При якій густині протонів з температурою Т=106 К можна користуватися класичною статистикою?
Розв’язання. Вважатимемо, що класичною статистикою можна користуватися, коли
, тобто температура виродження
дорівнює 105 К. Температура виродження газу нерелятивістських частинок має вигляд
,
звідки маємо шукану густину n:
.
Задача 8. Чому дорівнює число електронів з кінетичними енергіями від 2,0 до 2,1еВ у 1 см3срібла при Т = 100 К?
Розв’язання. Число електронів
в досить вузькому інтервалі енергій
можна знайти за формулою
, (1)
де значення
береться з цього ж інтервалу; для електронів
.
При
K електронний газ в металі є сильно виродженим, і його хімічний потенціал μ не дуже відрізняється від свого значення
при
К. При цьому можна вирахувати (зробіть самостійно), що в нашому випадку значення
дорівнює
5,4·10-19 Дж, тобто показник експоненти в (1) становить
і останньою можна знехтувати у порівнянні з одиницею.
Таким чином, остаточно знаходимо
Задача 9. Одержати розподіл Фермі–Дірака за величиною швидкості для нерелятивістських електронів. Побудувати графік цього розподілу при Т = 0 К.
Розв’язання. Розподіл станів
за імпульсами для нерелятивістського електронного газу маємо у вигляді
.
Оскільки
, знаходимо аналогічний розподіл
за швидкостями:
. (1)
Домноживши (1) на розподіл Фермі–Дірака середнього числа частинок
за станами (беручи до уваги, що енергія k-го рівня
), одержимо шуканий розподіл
за швидкостями:
. (2)
При
К(2) набирає вигляду:
, (3)
де
- швидкість, яка відповідає енергії фермі
.
Отже, графік (3) маємо у вигляді:
|
Задача 10. Визначити повну енергію та теплоємність бозе-газу при температурі, що менша за його температуру конденсації .
Розв’язання. При
можна знехтувати хімічним потенціалом
бозе-газу. Тому повну енергію
останнього можна записати як
. (1)
Заміна
призводить (1) до вигляду
. (2)
Числове значення a інтеграла в (2) становить приблизно
.
Теплоємність CV знаходимо з (2):