المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

علم الفيزياء
عدد المواضيع في هذا القسم 11580 موضوعاً
الفيزياء الكلاسيكية
الفيزياء الحديثة
الفيزياء والعلوم الأخرى
مواضيع عامة في الفيزياء

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
دين الله ولاية المهدي
2024-11-02
الميثاق على الانبياء الايمان والنصرة
2024-11-02
ما ادعى نبي قط الربوبية
2024-11-02
وقت العشاء
2024-11-02
نوافل شهر رمضان
2024-11-02
مواقيت الصلاة
2024-11-02


Quantum Corrections to Equation of State  
  
1037   02:13 مساءاً   date: 3-9-2016
Author : Sidney B. Cahn, Gerald D. Mahan And Boris E. Nadgorny
Book or Source : A GUIDE TO PHYSICS PROBLEMS
Page and Part : part 2 , p 33


Read More
Date: 6-9-2016 1012
Date: 22-8-2016 740
Date: 29-8-2016 1040

Quantum Corrections to Equation of State

Consider a noninteracting, one-component quantum gas at temperature τ, with a chemical potential μ in a cubic volume V. Treat the separate cases of bosons and fermions.

a) For a dilute system derive the equation of state in terms of temperature τ, pressure P, particle density n, and particle mass m. Do this derivation approximately by keeping the leading and next-leading powers of n. Interpret your results as an effective classical system.

b) At a given temperature, for which densities are your results valid?

SOLUTION

a) Start with the particle distribution over the absolute value of momentum:

(1)

where the upper sign in (S.4.68.1) and below corresponds to Fermi statistics and the lower to Bose (g = 2s + 1). Using ε = p2/2m, we obtain

(2)

The total energy is given by

(3)

On the other hand, using the grand canonical potential Ω, where

(4)

and replacing the sum by an integral, using (2), we obtain

(5)

Integrating (5) by parts, we have

(6)

Comparing this expression with (3), we find that

(7)

However, Ω = F – μN = FG = -PV. Therefore, we obtain the equation of state, which is valid both for Fermi and Bose gases (and is, of course, also true for a classical Boltzmann gas):

(8)

Note that (8) was derived under the assumption of a particular dispersion law ε = p2/2m; for relativistic particles or photons with ε = pc, (8) becomes PV = E/3. From (8) and (3), we obtain

(9)

where x ≡ ε/τ. (9) defines the equation of state. To find quantum corrections to the classical equation of state (which corresponds to the case eμ/τ << 1), expand the integral in (9), using exp (μ/τ – x) as a small parameter:

(10)

Using Ω = -PV and substituting (10) into (9), we have

(11)

The first term, which we may call ΩB, corresponds to a Boltzmann gas with g = 1, and the second term gives the first correction

(12)

Using the fact that, for small corrections

we can write the first quantum correction to the free energy F. Using the classical expression for μ in terms of τ and V gives the result to the same accuracy:

(13)

Using

we obtain, from (13),

(14)

and

(15)

where nN/V.

b) The condition for validity of this approximation is that the first correction should be much less than unity:

(16)

This gives the condition on the density for which (15) is valid:

(17)

It is interesting to determine the de Broglie wavelength λdB at this temperature τ. We find that

We see that this approximation is valid when the separation between particles is much larger than the de Broglie wavelength. (16) expresses the same condition as for the applicability of Boltzmann statistics (which implies exp (μ/τ) << 1). Since the chemical potential μ may be written

(18)

we see that




هو مجموعة نظريات فيزيائية ظهرت في القرن العشرين، الهدف منها تفسير عدة ظواهر تختص بالجسيمات والذرة ، وقد قامت هذه النظريات بدمج الخاصية الموجية بالخاصية الجسيمية، مكونة ما يعرف بازدواجية الموجة والجسيم. ونظرا لأهميّة الكم في بناء ميكانيكا الكم ، يعود سبب تسميتها ، وهو ما يعرف بأنه مصطلح فيزيائي ، استخدم لوصف الكمية الأصغر من الطاقة التي يمكن أن يتم تبادلها فيما بين الجسيمات.



جاءت تسمية كلمة ليزر LASER من الأحرف الأولى لفكرة عمل الليزر والمتمثلة في الجملة التالية: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation وتعني تضخيم الضوء Light Amplification بواسطة الانبعاث المحفز Stimulated Emission للإشعاع الكهرومغناطيسي.Radiation وقد تنبأ بوجود الليزر العالم البرت انشتاين في 1917 حيث وضع الأساس النظري لعملية الانبعاث المحفز .stimulated emission



الفيزياء النووية هي أحد أقسام علم الفيزياء الذي يهتم بدراسة نواة الذرة التي تحوي البروتونات والنيوترونات والترابط فيما بينهما, بالإضافة إلى تفسير وتصنيف خصائص النواة.يظن الكثير أن الفيزياء النووية ظهرت مع بداية الفيزياء الحديثة ولكن في الحقيقة أنها ظهرت منذ اكتشاف الذرة و لكنها بدأت تتضح أكثر مع بداية ظهور عصر الفيزياء الحديثة. أصبحت الفيزياء النووية في هذه الأيام ضرورة من ضروريات العالم المتطور.