Реферат Курсовая Конспект
Часть курса физики - Лекция, раздел Физика, Iv Часть Курса Физики Молек...
|
IV часть курса физики
Лекция 1,2. Молекулярно - кинетическая теория газов
Основные понятия. Уравнение состояния
Напомним школьный курс.
Основные положения молекулярно-кинетической теории:
1. Вещества состоят из атомов и молекул.
2. Атомы и молекулы находятся хаотическом тепловом движении.
3. Свойства макроскопических тел объясняются взаимодействием молекул.
Основные термодинамические параметры состояния:
1.Объём V [м3]
2.Давление P=dF/dS – численно равно силе, действующей на единицу площади перпендикулярно к ней). [Н/м2]=Па (паскаль)
3.Температура Т [К] Кельвин
4.Масса газа m [Кг]
Равновесное состояние -состояние системы, которое с течением времени не изменяется (пример неравновесного состояния - горячее тело внесли в комнату).
Идеальный газ – это газ, в котором молекулы не взаимодействуют на расстоянии, а лишь при столкновениях. Размеры молекул исчезающе малы.
Моль - это набор из элементов (Это число называют числом Авогадро и обозначают NА)
Молярная масса - это масса 1 моля вещества.
Закон Авогадро (опыт): В равных объёмах различных газов при равных температурах и равных давлениях содержится одинаковое число молекул. Из него следует
Уравнение состояния идеального газа (1.1)
Клапейрона - Менделеева
где R=8,3- универсальная газовая постоянная, - число молей.
Напомним основные изопроцессы, которые можно проводить с идеальным газом:1. Изотермический (Т = const) PV = const (см. рис.1.1 а)
2. Изобарический (P = const) V = CT (см. рис.1.1 б)
3. Изохорический (V = const) P = C1Т (см. рис.1.1 в)
Рис.1.1 Графики изопроцессов: а) изотермический;
б) изобарический; в) изохорический.
Барометрическая формула.
Классическое распределение Максвелла-Больцмана
Рассмотрим газ в сосуде (см. рис.1.4). Как молекулы распределены по высоте?
Слой dH создаёт дополнительное давление dP = -rgdH , но плотность
, где m0 - масса молекулы
Тогда или .
Рис. 1.4.
Проводя интегрирование данного уравнения от Н=0 до Н, получим: , где Р0 – давление газа на уровне Н=0, Р – давление на высоте Н.
Отсюда получаем формулу, которую называют барометрической:
Барометрическая формула (1.9)
Поскольку Р=nkТ, то при Т=const концентрация n пропорциональна давлению p и изменяется с высотой по аналогичному закону: n = n0 exp().
|
|
|
(где Wп=m0gH – потенциальная энергия молекулы коэффициент А определяется из нормировки). Графики функции распределения молекул по высоте представлены на рис.1.5.
Ясно, что высоты Н достигают лишь быстрые молекулы (рис.1.6), у которых m0V2/2 ³ m0.gH, поэтому можно ожидать, что распределение по кинетическим энергиям такое же, как и по потенциальным (так оно и есть).
Функция распределения по проекциям скоростей молекул на любую ось:
(1.11)
Можно показать, что распределение молекул по абсолютным скоростям имеет следующий вид:
(1.13)
Это называется распределением Максвелла по абсолютным скоростям (рис.1.7).
Распределения Максвелла и Больцмана можно объединить:
, (1.14)
где Wп Wk – потенциальная и кинетицеская энергия молекулы. Это распределение носит имя Максвелла- Больцмана.
При температуре абсолютного нуля Т=0 молекулы падают на дно сосуда и перестают двигаться.
Лекция 5. Фазовые равновесия и фазовые превращения
Особенности квантовых статистик
В 1.4. было введено понятие статистического распределения. Напомним: Задача статистики указать распределение частиц по тому или иному параметру (энергии, координатам, импульсам, по росту).
У классических частиц параметры изменяются непрерывно. Поэтому в классической статистике f(x)dx указывает долю частиц (или число частиц), у которых параметр x лежит в интервале (x, x+ dx).
Квантовые статистики отличаются от классических из-за того, что в них частицы подчиняются квантовым законам:
1. Параметры частиц квантуются, принимают дискретные значения.
2. Квантовые закономерности имеют всегда вероятностный характер.
Основная задача квантовой статистики - указать ¦ - степень заполнения (вероятность заполнения) того или иного дискретного квантового состояния.
Фазовое пространство. Ячейка фазового объема.
Напомним, что фазовым Г-пространством называется пространство 6-ти измерений: (три пространственные координаты, три компоненты импульса частиц).
Элемент фазового объема:
Из соотношения неопределенностей следует, что . Следовательно, любому состоянию частиц в Г-пространстве соответствует ячейка фазового пространства объемом h3.
Число квантовых состояний в объемеDГ равно DГ / h3 - числу фазовых ячеек.
Задача квантовой статистики найти ¦ - среднее число частиц (степень заполнения), в каждой фазовой ячейке.
Принцип неразличимости тождественных частиц.
Вырожденный Ферми-газ в металлах
1. Рассмотрим случай Т = 0.
При Т = 0 все уровни с энергией W < m0 заполнены 1 частицей, а все уровни с W >m0 – свободны (см. рис.6.3).
Энергия W = m0 называется еще энергией Ферми.
Распределение Ферми при Т=0 имеет вид прямоугольника.
2. При Т > 0 , (см. рис.6.1) лишь часть электронов в окрестности m0 могут повышать свою энергию. Это приводит к тому, что в теплоемкости участвует лишь малая часть электронов.
Лекция 7,8. Тепловые свойства кристаллов
Классическая теплоемкость кристаллов по Дюлонгу и Пти
В классической теории теплоемкости кристаллов Дюлонга и Пти считают, что
1) каждый атом кристалла движется независимо от соседей;
2) каждый атом имеет 3 колебательные степени свободы, на каждую из которых приходится энергия kТ ( kT/2 в виде кинетической и kT/2 в виде потенциальной).
Энергия одного атома кристалла: .
Энергия одного моля: , где R – газовая постоянная.
Теплоемкость 1 моля кристалла: (закон Дюлонга и Пти) (7.1)
Итак, по классической модели теплоемкость простых кристаллов одинакова, не зависит от температуры и равна 3R. (Эксперимент показывает, что при низких температурах это не выполняется).
Эйнштейн подправил классическую теорию, отказавшись от условия 2. Он учел квантование колебательной энергии атомов, считая их квантовыми осцилляторами. Это позволило получить качественное согласие с экспериментом. Однако наилучшую теорию, согласующуюся с опытом, предложил Дебай.
Лекция 9,10. Электрические свойства кристаллов.
Электронная природа тока в металлах.
Ток электронов в металлах (Ме) обусловлен наличием в Ме свободных электронов, которые перемещаются между узлами кристаллической решетки. Это подтверждается опытами.
Опыт Мандельштама-Папалекси заключается в быстрых крутильных колебаниях катушки. Это приводит к появлению переменного тока в гальванометре (см. рис. 9.1). Объяснение опыта заключается в том, что газ электронов в металле имеет инерцию и эквивалентен воде в корыте: при повороте корыта вода остается на месте, и ее уровень повышается то на одной, то на другой стенке.
Опыт Мандельштама-Папалекси подтверждает наличие свободных электронов в металле.
Классическая электронная теория электропроводности
Металлов (Друде-Лоренца).
В классической теории Друде-Лоренса:
1. Электроны проводимости рассматриваются как электронный газ, обладающий свойствами идеального одноатомного газа.
(В действительности электроны в металле являются квантовыми частицами, волнами Де-Бройля, взаимодействующими с большой областью кристалла. Но, в первом приближении, классическая теория хорошо описывает основные свойства металлов).
2. В отсутствии внешнего электрического поля электроны хаотически движутся с тепловыми скоростями . Однако, из-за упорядоченного тока электронов нет.
Для идеального газа: mV2тепл /2=3kT/2 отсюда . При комнатной температуре . Тепловые скорости свободных электронов в металле порядка 100 км/с!
3. В электрическом поле напряженностью Е на хаотическое тепловое движение электронов накладывается их упорядоченный дрейф Vдр..
Плотность тока j = - n0 e Vдр , (9.1)
где n0 – концентрация электронов, e – заряд электрона.
Скорость дрейфа – ничтожно мала по сравнению с .
4. При ударах с решеткой электрон полностью теряет скорость упорядоченного движения.
На основе этой классической теории выведем законы Ома и Джоуля-Ленца.
Вывод закона ОМА.
а) В электрическом поле напряженностью Е на электрон действует сила еЕ=ma, приводящая к ускорению a =eE /m.
б) Так как движение электрона равноускоренное, то средняя скорость дрейфа , где t – время между соударениями.
в) С другой стороны , где l – средняя длина свободного пробега электрона. В результате получаем:
г) Плотность тока:
Итак, мы получим закон Ома в дифференциальной форме:
, (сравни с I=U/R) (9.2)
где величина g является удельной электропроводностью.
Термин «дифференциальная» означает не производные, а применимость закона к малым объемам вещества.
(9.3)
Величина – называется удельным электрическим сопротивлением металла.
Закон Джоуля-Ленца. (вывод).
а) Можно показать, что, в среднем, при каждом соударении электрон теряет энергию дрейфа , которая переходит в тепло
б) Но скорость дрейфа
в) За 1 секунду каждый электрон столкнется раз.
г) В единице объема содержится n0 электронов, которые за 1 секунду выделяют энергию:
w
Итак, мы получили закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.
(9.4)
где w - энергия, выделяемая током в единице объема за единицу времени,
g- удельная электропроводность вещества, Е – напряженность электрического поля.
Недостатки классической теории Друде-Лоренца
Как мы уже знаем, (см. например рис.7.2.) в действительности, не все валентные электроны металла свободно движутся по решетке с тепловыми скоростями, а лишь малая их часть. Подавляющее большинство валентных электронов в электрических явлениях и теплоемкости не участвуют. Это приводит к расхождениям между классической теорией и практикой.
Примеры расхождений: 1) Из (9.3) следует, что , а на практике в большом диапазоне температур .
По классической теории теплоемкость металла:
Смет = Срешетки + Сэл-нов = 3R + 3/2 R = 9/2 R, а на практике Смет=3R.
Эти расхождения объясняет квантовая теория.
Лекция 11. Атомное ядро
Ядерные силы.
Почему положительные протоны в ядре не расталкиваются и не разрушают ядро?
Причина - особые ядерные силы, действующие между нуклонами и не зависящие от заряда нуклона. Ядерные силы - короткодействующие (радиус действия R~1015м), обладают насыщенностью, т. е. нуклоны взаимодействуют лишь с ближайшими соседними нуклонами.
Установлено, что все фундаментальные виды взаимодействий, в том числе и сильное (ядерное) имеют обменный характер, т. е. происходят между частицами за счет обмена третьей частицей. Элементарный акт взаимодействия нуклонов заключается в обмене пи-мезоном (пионом).
Физическая картина мира
Элементарные частицы
Микромир элементарных частиц характеризуется масштабом 10-8м и менее.
Структура строения материи в соответствии с современными взглядами представлена на схеме.
Молекулы и атомы м.
Атомные ядра м.
Классы элементарных частиц.
1. Адроны - составные частицы, которые участвуют и могут участвовать в сильном взаимодействии.
По времени жизни адроны разделяют на стабильные адроны (t ~ 10-23с) и резонансы (t < 10-24). Адроны с целым спином называют мезонами, а с полуцелыми - барионами. Вводят барионный заряд В = 1, В = -1 у антибариона, В = 0 у мезона. Пока считается, что барионный заряд сохраняется во всех взаимодействиях. Сахаров А. Д. и Зельдович считают, что само существование Вселенной является доказательством не сохранения барионного заряда и возможность распада протона. Адроны разделяют на ²обычные², ²странные², ²очарованные², ²красивые² и ²истинные². Совокупность этих параметров называют ароматом. Аромат адронов зависит от того, из каких кварков они состоят.
2.Кварки - фундаментальные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Считается, что существует 6 типов (вариантов) кварков.(см. таблицу 12.1)
Таблица 12.1 Виды кварков.
Аромат кварка | q | B | |
u – верхний | 1/2 | 2/3 | 1/3 |
d – нижний | 1/2 | -1/3 | 1/3 |
c – очарованный | 1/2 | 2/3 | 1/3 |
s – странный | 1/2 | -1/3 | 1/3 |
t – истинный | 1/2 | 2/3 | 1/3 |
b – красивый (прелестный) | 1/2 | -1/3 | 1/3 |
Каждый мезон строится из одного кварка q и одного антикварка , каждый барион - из трех кварков: q*q1
Например, нейтрон = udd протон = uud
*) Кварк каждого типа (аромата) характеризуется также ²цветом². ²R² - красный, ²G² - зеленый, ²В² - голубой (или антицветом ). Если три кварка имеют разные цвета, то в сумме получиться ²бесцветная² частица. Бесцветными будут и пара кварков ²цвет + антицвет². Существует принцип удерживания цвета, согласно которому цветные объекты в свободном состоянии не существуют. Согласно этому принципу кварки в свободном состоянии зарегистрировать нельзя.
Итак, у кварков имеется 6 ароматов и 3 цвета.
3. Лептоны - элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии и имеющие спин J = 1/2. Существует кварк - лептонная симметрия, согласно которой 6 типам кварков соответствует 6 типов лептонов:
электронный дуплет (ē, νе); лептонный дуплет (μ-, νμ) таонный дуплет (τ-, ντ)
*) Всем лептонам приписывается заряд L = 1, антилептонам L = -1, остальным частицам L = 0.
Вопросы для подготовки к зачету
1. Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ) (1.1).
2. Уравнение состояния идеального газа (1.1).
3. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа (1.2).
4. Молекулярно-кинетическое толкование термодинамической температуры (1.3).
5. Барометрическая формула. Распределение Больцмана (1.5).
6. Закон Максвелла о распределении молекул по скоростям (1.5).
7. Распределение Максвелла-Больцмана (1.5).
8. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега (1.6).
9. Термодинамические системы. Равновесные состояния и равновесные процессы (3.1).
10. Внутренняя энергия идеального газа. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы (3.6).
11. Работа и теплота (3.2).
12. Первое начало термодинамики. Работа газа при изменении его объема. Теплоемкость (3.4)(3.5).
13. Применение ПНТ к изопроцессам. Изохорический и изобарический процессы (3.4)(3.6).
14. Применение ПНТ к изопроцессам. Изотермический и адиабатический процессы (3.4)(3.6).
15. Круговые процессы. Циклы (3.9).
16. Цикл Карно (3.10).
17. Энтропия (3.4).
18. Второе начало термодинамики (ВНТ) (3.8)(3.12).
19. Силы и потенциальная энергия межмолекулярных взаимодействий (5.1.).
20. Уравнение Ван-дер-Ваальса (5.2).
21. Кристаллическая решетка. Виды связей между частицами решетки (6.1).
22. Квантовые статистики. Фермионы. Распределение Ферми-Дирака(6.1)(6.4).
23. Квантовой статистики. Бозоны. Распределение Бозе-Эйнштейна (6.1)(6.4)
24. Понятие о вырождении (6.5).
25. Классическая теория теплоемкости кристаллов. Закон Дюлонга и Пти (7.2).
26. Понятие о квантовой теории теплоемкости Эйнштейна и Дебая (7.3).
27. Теплоемкость электронного газа в металлах (7.4).
28. Классическая электронная теория электропроводности металлов (9.2).
29. Элементы зонной теории кристаллов (9.5).
30. Деление кристаллов на диэлектрики, металлы и полупроводники (9.5).
31. Собственная проводимость полупроводников (9.6).
32. Примесные полупроводники n-типа и p-типа (9.7).
33. p-n переход (9.8).
34. Строение атомных ядер. Дефект массы и энергия связи ядра (11.2).
35. Ядерные силы и их свойства (11.3).
36. Радиоактивность (11.5).
37. Ядерные реакции (11.5).
38. Элементарные частицы. Взаимопревращаемость частиц (12.1)(12.2).
39. Классификация элементарных частиц (12.1)(12.2).
40. Античастицы. Кварки (12.3).
41. Квантовой статистики. Бозоны. Распределение Бозе-Эйнштейна (6.1)(6.4)
42. Понятие о вырождении (6.5).
43. Классическая теория теплоемкости кристаллов. Закон Дюлонга и Пти (7.2).
44. Понятие о квантовой теории теплоемкости Эйнштейна и Дебая (7.3).
45. Теплоемкость электронного газа в металлах (7.4).
46. Классическая электронная теория электропроводности металлов (9.2).
47. Элементы зонной теории кристаллов (9.5).
48. Деление кристаллов на диэлектрики, металлы и полупроводники (9.5).
49. Собственная проводимость полупроводников (9.6).
50. Примесные полупроводники n-типа и p-типа (9.7).
51. p-n переход (9.8).
52. Строение атомных ядер. Дефект массы и энергия связи ядра (11.2).
53. Ядерные силы и их свойства (11.3).
54. Радиоактивность (11.5).
55. Ядерные реакции (11.5).
56. Элементарные частицы. Взаимопревращаемость частиц (12.1)(12.2).
57. Классификация элементарных частиц (12.1)(12.2).
58. Античастицы. Кварки (12.3).
– Конец работы –
Используемые теги: часть, курса, физики0.061
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Часть курса физики
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов