Квантовая статистика Ферми-Дирака. Электронный газ. Мартинсон Л.К - 12 стр.

UptoLike

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
=
.
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
""
.
Отсюда
()
3
33
2
5
2
0
55
3
2
53
m
npAp

=


"
,
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 газа 
                                              2
                                         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          