Составители:
12
Поскольку в задаче имеется малый параметр (η=0,01<<1), то ответ можно существенно упро-
стить. Используя разложение в ряд Тейлора
()
3
2
3
11
2
−η ≈ − η
,
получаем
3
0 015
2
N
,
N
∆
=η=
.
Задача 9. Найдите коэффициент сжимаемости (коэффициент упругости) электронного газа в
меди при температуре T=0 K.
Решение. Коэффициент сжимаемости, или упругости газа, характеризует относительное изме-
нение объема газа при изменении давления и определяется выражением
()
dV
1dV
Vd d
ln
pp
α=− =−
,
где V – объем газа, p – давление. Поскольку число частиц газа N остается постоянным, то при
сжатии газа его концентрация будет возрастать, причем
V где const
V
N
n , ln ln N ln n, ln N
==− =
.
В соответствии с этим
()()
dV d
dd
ln ln n
pp
α=− =
.
Из кинетической теории известно, что давление, которое оказывает газ на стенку, определяется
средней энергией поступательного движения частиц этого газа <E>
2
3
pnE
=<>
.
Для вырожденного электронного газа при T=0 K (см. задачу 5)
()
3
0
5
F
EE
<>=
,
или, с учетом (3)
()
22
2
3
0
3
3
52
En
m
<>= π
"
.
Поэтому зависимость давления электронного газа p от его концентрации n при T=0 имеет вид
() ()
5
22
22
22
3
33
00
23 1
33
352 5
pn n n
mm
=π=π
""
.
Отсюда
()
3
33
2
5
2
0
55
3
2
53
m
npAp
=π =
"
,
где A=const. Таким образом,
3
5
ln n ln A ln p=+ .
Подставляя это соотношение в выражение для коэффициента сжимаемости, получаем
() ()
dd
331
d5d5
ln n ln p
ppp
α= = =
.
Воспользовавшись найденной выше зависимостью p от n, приходим к выражению
() ()
1
55
22
2
22
0
33
33
2
0
331
33
55
m
nn
m
−
−
−
α= π = π
"
"
.
12 Поскольку в задаче имеется малый параметр (η=0,01<<1), то ответ можно существенно упро- стить. Используя разложение в ряд Тейлора 3 3 (1 − η)2 ≈ 1 − η, 2 получаем ∆N 3 = η = 0 ,015 . N 2 Задача 9. Найдите коэффициент сжимаемости (коэффициент упругости) электронного газа в меди при температуре T=0 K. Решение. Коэффициент сжимаемости, или упругости газа, характеризует относительное изме- нение объема газа при изменении давления и определяется выражением 1 dV d (ln V ) α=− =− , V dp dp где V – объем газа, p – давление. Поскольку число частиц газа N остается постоянным, то при сжатии газа его концентрация будет возрастать, причем N n = , ln V = ln N − ln n, где ln N = const . V В соответствии с этим d (ln V ) d (ln n ) α=− = . dp dp Из кинетической теории известно, что давление, которое оказывает газ на стенку, определяется средней энергией поступательного движения частиц этого газа2 p= n< E >. 3 Для вырожденного электронного газа при T=0 K (см. задачу 5) 3 < E >= EF (0 ) , 5 или, с учетом (3) 3 "2 2 < E >= 5 2m0 ( ) 3π n 3 . 2 Поэтому зависимость давления электронного газа p от его концентрации n при T=0 имеет вид 2 2 5 2 3 "2 1 "2 p= n 3 5 2m0 (3π n ) = 5 m (3π ) n . 2 3 2 3 3 0 Отсюда 3 m0 2 3 2 5 3 3 n = 5 2 (3π ) p = Ap 5 5, " где A=const. Таким образом, 3 ln n = ln A + ln p . 5 Подставляя это соотношение в выражение для коэффициента сжимаемости, получаем d (ln n ) 3 d (ln p ) 3 1 α= = = . dp 5 dp 5p Воспользовавшись найденной выше зависимостью p от n, приходим к выражению −1 3 1 "2 2 3 3 2 5 2 5 3m0 (3π ) n = "2 (3π ) n . − 2 −3 α= 3 5 5 m0