1 d 3 p. dpp 2 e β Z = Z N 1 = U = N 6 1 kt = 3NkT.

Like dokumenter
UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgave 1 V 1 V 4 V 2 V 3

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-2001

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk

Løysingsframlegg Eksamen TFY 4230 Statistisk Fysikk onsdag 17/

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Kondenserte fasers fysikk Modul 2

Løsningsforslag til eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Tirsdag 9. aug 2011

Løsningsforslag til eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Mandag 12. august, 2013

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl mandag 7. august 2017 Bokmål

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl torsdag 15. desember 2016 Bokmål

Løysingsframlegg/skisse Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem 24. mai 2011

EKSAMEN I FAG SIF4062 FASTSTOFFYSIKK VK Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk Tirsdag 8. mai 2001 Tid: Sensur faller 29.

UNIVERSITETET I OSLO

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Eksamensoppgaver i Fys

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl august 2018 Nynorsk

Løsningsforslag Eksamen 11. august 2010 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

TFY Løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4. Vibrerende to-partikkelsystem

Nivåtettheten for ulike spinn i 44 Ti

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

Løsninger til eksamensoppgaver i Fys

TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

EKSAMENSOPPGAVE. Fys-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk. 14 med forbehold om riktig telling

FY6019 Moderne fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren Løsningsforslag til øving 4. 2 h

Oppgave 2 Vi ser på et éndimensjonalt system hvor en av de stasjonære tilstandene ψ(x) er gitt som { 0 for x < 0, ψ(x) = Ne ax (1 e ax (1)

Formelsamling. ξ(r, t) = ξ 0 sin(k r ωt + φ) 2 ξ(x, t) = 1 2 ξ(x, t) t 2. 2 ξ. x ξ. z 2. y ξ. v = ω k. v g = dω dk

EKSAMENSOPPGAVE. FYS-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk Dato:

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i: Fys-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk Dato: Tirsdag 26. februar 2013 Tid: Kl 09:00 13:00

Eksamen FY1005/TFY4165 Termisk fysikk kl mandag 12. august 2013

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

Løysingsframlegg øving 1

Institutt for fysikk Fakultet for naturvitenskap og teknologi. Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Onsdag 6.

Fasit for besvarelse til eksamen i A-112 høst 2001

Figur 1: Skisse av Franck-Hertz eksperimentet. Hentet fra Wikimedia Commons.

FY1006/TFY Løsning øving 3 1 LØSNING ØVING 3. Ikke-stasjonær bokstilstand

Formelsamling. ξ(r, t) = ξ 0 sin(k r ωt + φ) 2 ξ(x, t) = 1 2 ξ(x, t) t 2. 2 ξ. x ξ. z 2. y ξ. v = ω k. v g = dω dk

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Lørdag 8. august 2009 kl

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 14 1 LØSNING ØVING 14. ψ 210 z ψ 100 d 3 r a.

Formelsamling Bølgefysikk Desember 2006

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk/fy2045 Kvantefysikk

UNIVERSITETET I OSLO

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 1 1 LØSNING ØVING 1

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Tirsdag 9. desember 2003

Eksamen i fag RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Fredag 26. mai 2000 Tid: 09:00 14:00

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 6 1 ØVING 6. Fermi-impulser og -energier

Løsningsforslag til eksamen i SIF4022 Fysikk 2 Tirsdag 3. desember 2002

Fysikkk. Støvneng Tlf.: 45. Andreas Eksamensdato: Rottmann, boksen 1 12) Dato. Sign

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Fysikken i astrofysikk, del 1

Løsningsforslag til øving 3

EKSAMEN I FY2045 KVANTEMEKANIKK I/ TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Tirsdag 10. august 2010 kl

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: Fys-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk Dato: Onsdag 02. desember 2015 Tid: Kl 09:00 13:00 Sted: Åsgårdvegen 9

LØSNING ØVING 2. Løsning oppgave 5. TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 2 1

EKSAMENSOPPGAVE. Fys-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: NEI Hvis JA: ca. kl.

Løsningsforslag til øving 6

Løsningsforslag Eksamen 4. desember 2007 TFY4250 Atom- og molekylfysikk/fy2045 Kvantefysikk

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Institutt for fysikk

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løysingsframlegg TFY 4104 Fysikk Hausten 2009

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

Løsningsforslag Konte-eksamen 13. august 2002 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK FY2045 KVANTEFYSIKK Tirsdag 1. desember 2009 kl

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Folkevandringstelling

FY1006/TFY Løysing øving 4 1 LØYSING ØVING 4. Vibrerande to-partikkelsystem. = k(x l) og F 2 = V = V. k (x l) dvs ω 1 =,

Løsning, eksamen TFY4205 Kvantemekanikk II Onsdag 8. desember 2010

Eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Onsdag 21. desember, :00 19:00

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 2 1 LØSNING ØVING 2

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2013 Løsninger

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Løsningsforslag til øving 10

EKSAMEN I FY1005 og TFY4165 TERMISK FYSIKK: LØSNINGSFORSLAG

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

TFY4160 Bølgefysikk/FY1002 Generell Fysikk II 1. Løsning Øving 2. m d2 x. k = mω0 2 = m. k = dt 2 + bdx + kx = 0 (7)

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 13 1 LØSNING ØVING 13. V (x, t) = xf (t) = xf 0 e t2 /τ 2.

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2011 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET, INSTITUTT FOR FYSIKK. Utarbeidet av: Jon Andreas Støvneng

1 Mandag 1. februar 2010

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Tid:

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 1 ØVING 2. Krumningsegenskaper for endimensjonale energiegenfunksjoner

Løsningsforslag Eksamen 29. mai 2010 FY1006 Innføring i kvantefysikk/tfy4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Konte-eksamen 2. august 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

CMOS billedsensorer ENERGIBÅND. Orienteringsstoff AO 03V 2.1

Termodynamikk og statistisk fysikk Oblig 4

EKSAMEN I SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Tirsdag 13. august 2002 kl

Transkript:

Oppgave a) Partisjonsfunksjonen for én oscillator: Z d p (2π h) (4π)2 8π h 2 π h ( k hω (2mk )/2 ), d re β 2m p2 βmω2 2 r 2 dpp 2 e β ( 2k mω 2 2m p2 ) /2 ( drr 2 e βmω2 2 r 2 dxx 2 e x2 ) 2 der integralet dxx 2 e x2 π/4 kan finnes i Rottmann Siden oscillatorene er lokaliserte er partisjonsfunksjonen for systemet gitt ved Z Z N ( ) N k hω Denne klassiske partisjonsfunksjonen er gyldig ved høye temperaturer, som i dette tilfellet betyr k hω b) Indre energi: U k 2 ln Z Nk armekapasitet: ( ) U C Nk Ekvipartisjonsprinsippet sier at hvert kvadratisk ledd i Hamiltonfunksjonen gir et bidrag k/2 til midlere indre energi Siden H for én partikkel består av 6 kvadratiske ledd har vi derfor U N 6 k Nk 2 c) Debye-teori: se forelesningsnotatene Det faste stoffet har en endelig lengde og består av et endelig antall N atomer For et tredimensjonalt fast stoff finnes det maksimalt N

forskjellige svingemoder Siden antall svingemoder er endelig må det finnes en øvre frekvens ω D for svingningene En lydbølge kan være polarisert i tre uavhengige retninger, så vi må ha N k i gjør summen over bølgevektorer k om til et integral på vanlig måte og finner: d k N (2π) 8π 4π kd dkk 2 ωd dωω 2 2π 2 v ωd dωd(ω) der vi har substituert ω vk og definert tilstandstettheten D(ω) 2π 2 v ω2 for ω ω D (D(ω) for ω > ω D ) i utfører integrasjonen, og resultatet er likningen 2π 2 v ω D N, som gir ( 6π 2 ) / N ω D v d) Partisjonsfunksjonen for én mode er gitt ved Z(ω) e hωi/k ( e hω/k ), i og den totale partisjonsfunksjonen er gitt som produktet over alle moder av partisjonsfunksjonen for hver enkelt mode og hver polarisasjonsretning: Z ( e hω/k ) ω,pol 2

Helmholtz fri energi er da gitt ved F k ln Z k ln( e hω/k ), ω,pol og ved å bruke tilstandstettheten kan vi skrive dette som et integral F k 2π 2 v ωd dωω 2 ln( e hω/k ), der de tre uavhengige polarisasjonsretningene er tatt hensyn til i tilstandstettheten e) Fonongassens indre energi blir U k 2 2 ωd ln Z k dωω 2 ln( e hω/k ) 2π 2 v 2 k ωd dωω 2 ( e hω/k ) hω 2π 2 v e hω/k k 2 h ωd ω dω 2π 2 v e hω/k (k ) 4 D / 2π 2 v h dx x e x, der vi har substituert x hω/k i integralet og definert D hω D /k Av uttrykket vi fant i c) for Debye-frekvensen fås /π 2 v 6N/ωD, og vi kan derfor skrive U som ( ) k D / U 9N k dx x hω e x ( ) D / Nk dx x D ( ) Nk D D e x ed høye temperaturer D blir øvre grense i integralet, og vi kan rekkeutvikle i integranden: ( ) D / U Nk D ( 9Nk D ) ( D x dx + x ) Nk,

og vi får dermed det klassiske resultatet ved høye temperaturer, slik vi burde forvente f) For D blir øvre grense i integralet i Debye-funksjonen stor Siden integranden avtar raskt med x kan vi la integralet gå helt opp til x Da får vi ( ) U 9N k dx x D e x π4 5 Nk ( D ), () der vi har brukt integralet oppgitt i oppgaveteksten armekapasiteten blir da ( ) ( ) U C 2π4 5 Nk D i ser at varmekapasiteten går mot som ved lave temperaturer, i god overensstemmelse med eksperimenter Men det er også teoretiske grunner til at den klassiske varmekapasiteten N k ikke kan være riktig ved lave temperaturer: som en konsekvens av termodynamikkens hovedsetning må C når Oppgave 2 a) ed høye temperaturer er sannsynligheten for å finne mer enn én partikkel i en bestemt tilstand svært liten, og derfor blir det uvesentlig om partiklene er fermioner eller bosoner i kan derfor bruke Maxwell- Boltzmann- statistikk Se forelesningsnotatene for flere detaljer Partisjonsfunksjonen for én partikkel: Z e βɛ p 2 e βɛ p pσ p 2 d pe βɛ p (2π h) 2 8π h 4π dɛe βɛ dpp 2 δ(ɛ pc) dɛɛ 2 e βɛ π 2 ( hc) 4

ed å innføre tilstandstettheten D(ɛ) π 2 ( hc) ɛ2 ser vi at vi i fortsettelsen kan erstatte summer pσ med integraler dɛd(ɛ) Partisjonsfunksjonen Z kan vi regne ut ved å substituere y βɛ i integralet: Z dyy 2 e y 2 π 2 ( hc) β π 2 Partisjonsfunksjonen for gassen er gitt ved b) Indre energi: Z ZN N! ( ) k hc U k 2 ln Z Nk Entropien og kjemisk potensial kan vi finne fra Helmholtz fri energi F k ln Z Nk ln Z + k ln N! Nk ln Z + Nk ln N Nk der vi har brukt Stirlings formel ln x! x ln x x for x Entropien blir S ( ) F,N Nk ln Z + Nk ln Z Nk ln N + Nk Nk ln Z + Nk + Nk N Nk ln 2 ( ) k + 4 π 2 N hc Kjemisk potensial er gitt ved ( ) F µ N, 5

k ln Z + k ln N + Nk N k k ln Z k ln 2 ( ) k N π 2 N hc c) rykket finnes fra ( ) F P N, Nk ln Z Nk U d) Midlere antall partikler i et nivå med energi ɛ er nå gitt ved Fermi- Dirac-fordelingen f(ɛ) e β(ɛ µ) + ed er f(ɛ) for ɛ ɛ F bestemmes av partikkeltallet: og lik ellers Fermienergien ɛ F N π 2 ( hc) dɛd(ɛ)f(ɛ) ɛf dɛɛ 2 π 2 ( hc) ɛ F Løser vi denne likningen med hensyn på ɛ F finner vi at ɛ F µ( ) hc(π 2 ρ) /, der ρ N/ er partikkeltettheten Indre energi er bestemt av U dɛd(ɛ)f(ɛ)ɛ ɛf dɛɛ π 2 ( hc) 4π 2 ( hc) ɛ4 F 4π 2 hc(π2 ρ) 4/ 6

e) For fermioner er den storkanoniske partisjonsfunksjonen gitt ved og Ω finner vi ut i fra denne som Ξ pσ[ + e β(ɛp µ) ], Ω k ln Ξ k pσ ln[ + e β(ɛ p µ) ] k dɛɛ 2 ln[ + e β(ɛ µ) ] π 2 ( hc) k { [ ɛ π 2 ( hc) ln[ + e β(ɛ µ) ]] + k dɛɛ 2 ɛ π 2 ( hc) e β(ɛ µ) + dɛd(ɛ)f(ɛ)ɛ U e β(ɛ µ) dɛɛ + e β(ɛ µ) der vi har brukt delvis integrasjon Siden Ω P følger det da at P U er generelt gyldig for gassen ved alle temperaturer også når vi bruker Fermi-Dirac-statistikk f) Kjemisk potensial er bestemt av likningen N π 2 ( hc) dɛd(ɛ)f(ɛ) ɛ 2 dɛ e β(ɛ µ) + i bruker tilnærmingen oppgitt i oppgaveteksten med g(ɛ) ɛ 2 til å bestemme integralet: [ N ] µ ɛ 2 dɛ + π2 π 2 ( hc) 6 (k )2 2µ [ ] π 2 ( hc) µ + π2 (k )2 µ ( ) 2 π 2 ( hc) µ + π2 k µ 7 }

ed fant vi at N ( ) π 2 ( hc) ɛ F, og siden antall partikler må være bevart, får vi likningen µ + π2 ( k µ ) 2 ɛ F i antar at k ɛ F Da er det rimelig å anta at også k µ ed å bruke at ( + x) / x/ for x kan vi da skrive µ som µ ( ) 2 ɛ F + π2 k µ ( ) 2 ɛ F π2 k 9 µ / i ser at første korreksjon til µ går som (k ) 2 Da kan vi til samme orden sette µ ɛ F i parentesen på høyresiden, slik at det endelige resultatet for µ( ) ved lave temperaturer F blir Oppgave [ ( ) µ ɛ F π2 2 ] 9 F a) Denne Hamiltonfunksjonen beskriver en paramagnet ed vil spinnene være fullstendig opplinjert langs det ytre feltet, slik at m i denne grensen I grensen vil termiske fluktuasjoner fullstendig dominere over det ytre feltet og begge spinn-orienteringer vil være like sannsynlige Derfor har vi m i denne grensen b) Partisjonsfunksjonen for ett spinn: Z σ x± 2 cosh(βb) 8 e βbσx e βb + e βb

Gibbs fri energi pr spinn blir da G N k ln Z k ln[2 cosh(βb)] og fra denne finner vi magnetisering pr spinn: m ( ) G B N k 2 cosh(βb) 2 sinh(βb)βb tanh(βb) (2) Av dette uttrykket ser vi at m når og m når slik vi fant i a) For gitt temperatur har vi at m når B og m for B slik vi skulle vente oss for en paramagnet c) Denne Hamiltonfunksjonen kan brukes til å beskrive ferromagnetisk oppførsel i bruker middelfelt-approksimasjonen på H: H J σ x σ x x J x x x zmσ x x B eff σ x Approksimasjonen består i at vi har byttet ut nabospinnene til spinnet i x med deres middelverdi m σ x Her er z lik antall nærmeste nabospinn, for det plane, kvadratiske gitteret vi ser på er z 4 Med denne tilnærmingen ser vi at H er formelt gitt ved det samme uttrykket som i b) ed å bytte ut B med B eff kan vi overta resultatene fra b) direkte, og magnetiseringen pr spinn er da gitt ved m tanh(βb eff ) tanh ( 4Jm k Dette er likningen som bestemmer m Grafisk ser man at at denne likningen har ferromagnetiske løsninger (dvs løsninger m ) dersom [ ( ) ] d 4Jm dm tanh k m som gir at 4J k C ) 9

d) For temperaturer nær C er m svært liten, og da kan vi rekkeutvikle høyresiden av likningen for m: som kan skrives om til ( ) C m tanh m ( C C m ( C ) m, ) m C m i ser at m alltid er en løsning, men det er ikke den vi er interesserte i For C har vi ikke-trivielle løsninger gitt av dvs m 2 C m ± ( ) /2 C, Alternativt kan man bruke Landau-teori, se forelesningsnotatene