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

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

Løysingsframlegg Eksamen TFY 4230 Statistisk Fysikk onsdag 17/

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

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk

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

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

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Onsdag 28. mai 2003

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-2001

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i emnet Mat131 - Differensiallikningar I Onsdag 25. mai 2016, kl.

Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY 4104 Fysikk august 2011

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl august 2018 Nynorsk

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Tirsdag 27. mai 2008 kl

Termodynamikk ΔU = Q - W. 1. Hovedsetning = Energibevarelse: (endring indre energi) = (varme inn) (arbeid utført)

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

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

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

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl torsdag 15. desember 2016 Bokmål

Institutt for fysikk Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk. Løsningsforslag til eksamen i FY3403 PARTIKKELFYSIKK Torsdag 31.

Løsningsforslag EKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 10. juni 2011

Oppgave 1 V 1 V 4 V 2 V 3

Løysingsframlegg TFY 4104 Fysikk Kontinuasjonseksamen august 2010

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 31. mai 2005 kl

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Onsdag 8. august 2007 kl

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Tirsdag 27. mai 2008 kl

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl mandag 7. august 2017 Bokmål

Løysingsframlegg TFY 4104 Fysikk Hausten 2009

TFY4170 Fysikk 2 Justin Wells

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 3. juni 2009 kl

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Lørdag 8. august 2005

Mathematics 114Q Integration Practice Problems SOLUTIONS. = 1 8 (x2 +5x) 8 + C. [u = x 2 +5x] = 1 11 (3 x)11 + C. [u =3 x] = 2 (7x + 9)3/2

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

Trigonometric Substitution

EKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 31. mai 2005 kl

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2013 Løsninger

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4106 FYSIKK Torsdag 6. august :00 13:00

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

Punktladningen Q ligger i punktet (3, 0) [mm] og punktladningen Q ligger i punktet ( 3, 0) [mm].

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i FY3466 KVANTEFELTTEORI II Tirsdag 20. mai :00 13:00

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 30. mai 2006 kl

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

Fasit for besvarelse til eksamen i A-112 høst 2001

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

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

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

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK Faglig kontakt under eksamen: Ola Hunderi, tlf (mobil: )

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2011 Løsninger

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TEP4145 KLASSISK MEKANIKK Mandag 21. mai 2007 kl Løsningsforslaget er på i alt 9 sider.

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Mandag 12. desember :00 18:00

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMENSOPPGAVE. FYS-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk Dato:

HØGSKOLEN I STAVANGER

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

Løsningsforslag til øving 5

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

Tirsdag r r

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i FY8306 KVANTEFELTTEORI Fredag 9. juni 2006

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

Eksamen i FY3403/TFY4290 PARTIKKELFYSIKK Mandag 12. desember :00 13:00

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4160 BØLGEFYSIKK Mandag 3. desember 2007 kl

Løsningsforslag til eksamen i FY3464 KVANTEFELTTEORI Torsdag 26. mai 2005

EKSAMENSOPPGAVE. MNF-6002 Videreutdanning i naturfag for lærere, Naturfag trinn 2. Kalkulator Rom Stoff Tid: Fysikktabeller (utskrift)

Solutions #12 ( M. y 3 + cos(x) ) dx + ( sin(y) + z 2) dy + xdz = 3π 4. The surface M is parametrized by σ : [0, 1] [0, 2π] R 3 with.

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMENSOPPGAVE. Fys-1002 Elektromagnetisme. Adm.bygget B154 Kalkulator med tomt dataminne, Rottmann: Matematisk formelsamling

Eksamen FY1005/TFY4165 Termisk fysikk kl mandag 2. juni 2014

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene.

Flervalgsoppgave. Arbeid og energi. Energibevaring. Kollisjoner REP Konstant-akselerasjonslikninger. Vi har sett på:

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 1

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)

Eksamen TFY 4104 Fysikk Hausten 2009

Løsninger til eksamensoppgaver i Fys

Transkript:

NTNU Side 1 av 5 Institutt for fysikk Fakultet for naturvitenskap og teknologi Dette løsningsforslaget er på 5 sider. Løsningsforslag til eksamen i TFY430 STATISTISK FYSIKK Tirsdag 9. aug 011 Oppgave 1. Kjeder av Isingspinn En syklisk kjede med tre Isingspinn har Hamiltonfunksjon H = J (s 1 s + s s 3 + s 3 s 1. (1 a Skriv ned alle konfigurasjonene og de tilhørende energiene for denne kjeden. Siden hvert av de tre Ising-spinnene kan ta to verdier, (σ = +1 og (σ = 1, er det ialt 3 = 8 konfigurasjoner. Disse kan sorteres i to klasser: i. og med energi E = 3J. ii.,,,, og med energi E = J. b Finn partisjonsfunksjonen Z = e βf = e βu+s/k B for denne kjeden. Partisjonsfunksjonen blir Z = e βe(i = e 3βJ + 6 e βj. ( Konfigurasjoner i c Finn midlere energi U = H for denne kjeden. Se spesielt på grensen T 0, både for J > 0 og J < 0. En direkte beregning av middelverdien gir U = H = (3J e 3βJ + ( J 6 e βj ( 6 e 3βJ 6 e βj = Z e 3βJ + 6e βj ( ( 1 e 4βJ 1 e 4βJ = 3 + e 4βJ ( 3J = 1 + 3 e 4βJ J (3J. (3 Vi finner samme svar ved å bruke formelen U = β ln Z. Siden T 0 svarer til β finner vi at { J hvis J > 0, U (4 3J hvis J < 0. I begge tilfeller er dette energien til grunntilstanden (negativ.

Løsning TFY430 Statistisk fysikk, 09. 08. 011 Side av 5 d Finn varmekapasiteten C = U T Vi finner til denne kjeden. C = U T = k Bβ U β = k B(βJ [ 4 e 4βJ (1 + 3 e 4βJ + (1 e 4βJ 1e 4βJ ] (1 + 3 e 4βJ = (4βJ e 4βJ (1 + 3 e 4βJ k B = (4βJ e 4βJ (3 + e 4βJ k B. (5 e Finn entropien S til denne kjeden. Se spesielt på grensen T 0, både for J > 0 og J < 0. Vi kan bruke sammenhengen oppgitt under pkt b, dvs. ( S = k B (ln Z + βu = k B 1 β ln Z. (6 β For J > 0 bruker vi uttrykkene som gir ln Z = βj + ln ( 6 + e 4βJ, βu = 3βJ (1 e 4βJ /(3 + e 4βJ, For J < 0 bruker vi uttrykkene som gir Kommentar 1: [ 4βJ e 4βJ S = k B (3 + e 4βJ + ln ( 6 + e 4βJ ] k B ln 6. (7 ln Z = 3βJ + ln ( + 6 e 4βJ, βu = 3βJ (1 e 4βJ /(1 + 3 e 4βJ, [ 1βJ e4βj S = k B (1 + 3 e 4βJ + ln ( + 6 e 4βJ ] k B ln. (8 Et annen metode er å beregne entropien fra den termodynamiske definisjonen ds = dq T = CdT T T, dvs. S(T S(T C dt 0 = T 0 T, med C gitt av ligning (5. Dette fastlegger ikke integrasjonskonstanten S(T 0, som ikke kan utledes av termodynamikk alene. Men som en kontroll av uttrykkene kan man hvertfall verifisere relasjonen T S T S = β β = C = U β = k B ln Z. (9 β Denne følger direkte av ligning (6. De som liker å regne og som har tilstrekkelig med tid kan også kvalitetskontrollere utregningene ved å verifisere at andre likhet i (9 anvendt på at uttrykkene (7 og (8 leder til (5. Kommentar : En tredje, informasjonsteoretisk, beregning er ved bruk av formelen ( S = k B p i ln p i = k B p ln p + 6 p ln p, (10 der p i = e βe i/z. Med p = Konfigurasjoner i e 4βJ 6 + e 4βJ = 1 + 6 e 4βJ, p 1 = 6 + e 4βJ = e 4βJ + 6 e 4βJ, innsatt i (10 finner man igjen resultatene (7 og (8. Ved T = 0 er det bare konfigurasjonene med lavest energi (grunntilstanden som bidrar til (10. Man ser derfor generelt at S k B ln (Antall konfigurasjoner i grunntilstanden. (11

Løsning TFY430 Statistisk fysikk, 09. 08. 011 Side 3 av 5 f Finn korrelasjonsfunksjonen s 1 s for denne kjeden. En enkel metoder er å utnytte symmetrien i systemet: s 1 s = s s 3 = s 3 s 1 = 1 3J J(s 1s + s s 3 + s 3 s 1 = U 3J ( { 1 e 4βJ 1 = 3 + e 4βJ 3 hvis J > 0, 1 hvis J < 0. Hvis J < 0 er det energetisk gunstigst at spinnene er parallelle, dvs. med s i s i+1 = 1. Derfor finner vi at s i s i+1 1 ved lave temperaturer. Hvis J > 0 er det energetisk gunstigst at spinnene er anti-parallelle, dvs. med s i s i+1 = 1. Men siden kjeden består av et odde antall spinn er det ikke mulig å ha alle nabospinn anti-parallelle (systemet sies å være frustrert. Det beste som kan oppnås er at to par av nabospinn er anti-parallelle, og ett par er parallelt. Derfor finner vi at (1 ved lave temperaturer. s i s i+1 3 ( 1 + 1 3 (+1 = 1 3 Kommentar: En direkte beregning av korrelasjonen er omtrent like enkel: Av konfigurasjonene vi fant under punkt a se vi at det er fire der s 1 s = +1 (to med energi 3J og to med energi J og fire der s 1 s = 1 (alle med energi J. Vi finner derfor at som igjen leder til (1. s i s i = p + ( 4 p = ( p p, g Skisser hvordan ( du ville gjøre tilsvarende analyse av en syklisk kjede med N Ising-spinn, dvs. med Hamiltonfunksjon H = J s N s 1 + N 1 j=1 s js j+1. Oppgave. Kvantemagnetisme Én-partikkel Hamiltonfunksjonen for et elektron (med ladning q = e i et magnetfelt B er H = 1 m e (p + ea gµ B Bs z, (13 der B = A. Etter kvantisering finner man at egenenergiene til H er E = 1 ( p z m + n + 1 ε a + s z ε b, der s z = ± 1 og n = 0, 1,.... (14 e Her er ε a = µ B B og ε b = 1 gµ BB. For hver verdi av p z, n og s z er det eba/h degenererte tilstander, der A er arealet av systemet normalt på magnetfeltet. I det store kanoniske ensemblet kan partisjonsfunksjonen for en gass av slike elektroner uttrykkes som βp = ln Ξ V = eb me h s z=± 1 n=0 0 når vi ser bort fra vekselvirkningen mellom elektroner. dε z εz { } ln 1 + e β[εz+(n+1/εa+szε b µ], (15 a Skisser den generelle sammenhengen mellom én-partikkeltilstandene E n og den store kanoniske partisjonsfunksjonen Ξ til en ideell Fermigass. b Indiker hvordan man i dette spesielle tilfellet kommer fram til partisjonsfunksjonen (15 fra én-partikkeltilstandene (14. c Vis at partisjonsfunksjonen (15 kan omskrives til formen ( 1 M+1 βp = e Mβµ eb m e M h M=1 e szmβε dε b e (n+1/mβεa z e Mβεz. (16 s z=±1/ n=0 0 εz

Løsning TFY430 Statistisk fysikk, 09. 08. 011 Side 4 av 5 We expand the logarithm in a series, using the formula with x = e β[εz+(n+1/εa+szε b µ]. ln(1 + x = ( 1 L+1 x L, (17 L L=1 d Utfør summasjonene over s z og n, og integrasjonen over ε z i ligning (16. The summation over s z gives a factor cosh (Lβε b /. The summation over n gives a factor [ sinh (Lβε a /] 1. The integration over p z gives a factor (Lβ 1/ Γ ( 1 = (πkb T/L 1/. Since ε a = e B m e we may write to obtain βp = 1 λ 3 eb sinh (Lβε a / = πm ek B T (Lβε a Lh sinh (Lβε a / L=1 ( 1 L+1 L 5/ e Lβµ cosh (Lβε b / (Lβε a/ sinh (Lβε a /, (18 where λ = h/ πm e k B T is the thermal de Broglie wavelength. e Se på grensen B 0 av resultatet ditt fra punkt d. Ligner resultatet på partisjonsfunksjonen for en ideell elektrongass? Since ε a and ε b is proportional to B they will also go to 0 as B 0. In this limit the factor from s z -summation, cosh (Lβε b /, which is the correct degeneracy factor for a spin- 1 particle. Since further the factor from n-summation, (Lβε a / [sinh (Lβε a /] 1 1, we get back the correct fugacity expansion for an ideal non-relativistic spin- 1 Fermi gas. f Den midlere magnetiseringen pr volumenhet er her gitt ved uttrykket ( p M =. (19 B β,µ Beregn dette uttrykket til første orden i fugasiteten z = λ 3 e βµ, der λ = h / πk B T m e er den termiske de Broglie bølgelengden til elektronet. Du kan anta at størrelsen u βµ B B er liten, og bare beregne M til første orden i u. To first order which gives βp = ρ = 1 λ 3 eβµ cosh (gβµ B B/4 (βµ BB/ sinh (βµ B B/ ( g {1 λ 3 eβµ + 8 1 } (βµ B B/ +, 3 M = 1 β B βp = ( g λ 3 eβµ 8 1 3 = 1 βρ ( g 8 1 3 1 βµ BB µ BB. (0 g For hvilke verdier av g er systemet paramagnetisk, og for hvilke verdier av g er det diamagnetisk? We see from equation (0 that the system is paramagnetic for g > 8 3 (i.e. g > 1.633... and diamagnetic for g < 8 3.

Løsning TFY430 Statistisk fysikk, 09. 08. 011 Side 5 av 5 Oppgitt: Noen av uttrykkene under kan være til nytte ved løsning av eksamenssettet. 0 (1 x 1 = ln (1 + x = x M, (1 M=0 M=1 ( 1 M+1 M xm, ( dt t e t = π. (3