chap 9a aplikasi distribusi - multisite.itb.ac.id...โข dengan pmomentum dan a: vektor potensial...
TRANSCRIPT
Chap 9aAplikasi Distribusi
Fermi Dirac
(part-1)
Teori Bintang Katai Putih
โข Apakah bintang Katai Putih
โ Bintang yg warnanya pudar/pucat krn hanya memancarkansedikit cahaya krn supply hidrogennya sudah tinggal sedikitberubah menjadi helium.
โข Tipikal data bintang katai putih
โ Isi : sebagian besar helium
โ Kerapatan massa 107 gr/cm3 (107 0)
โ Massa : 1033 gr ( 1 MO)
โ Suhu pusat : 107 K (=T0 )
Teori Bintang Katai Putih
โข Jadi bintang katai putih : suhu tinggi dengan tekanan tinggi. Sehingga atom-atom sudah terionisasi. Sehingga bintang bisadianggap terdiri dari inti helium dan elektron.
โข Jadi dianggap sebagai gas elektron yg bersifat seperti gas Fermi ideal dengan kerapatan sekitar 1030 elektron/cm3 yang setara dengan energi Fermi :
โข ๐๐น =โ2
2๐
1
๐ฃ23
= 20 ๐๐๐ ๐ป๐ข๐๐๐ โ 0.4 ๐๐๐ (๐๐๐!)
โข Dengan temperature Fermi setara TF = 1011K. (cek 4 x109K)
โข Karena ternyata TF >>> T bintang, maka praktis bintang kataiputih bisa dianggap sebagai gas Fermion degenerate dekatground state.
Model
โข Model Bintang Katai Putih:
โ Sistem N gas elektron dalam kondisi ground state dengankerapatan bahwa elektron diperlakukan secara relativistik.
โ Gas Elektron bergerak dengan latar belakang inti helium sejumlah N/2 yg diam yg memberikan daya tarik gravitasi.
โ Ada tiga efek : prinsip Pauli, dinamika relativistik, hukumgravitasi.
Energi Elektron
โข Elektron dengan spin = ยฝ dengan momentum p. Elektronmemiliki energi :
๐๐,๐ = ๐๐ 2 + ๐๐๐2 2
Dengan me : massa elektron.
โข Energi ground state dari gas Fermi:
๐ธ0 = 2
๐ <๐๐น
๐๐ 2 + ๐๐๐2 2
=2๐
โ3เถฑ
0
๐๐น
๐๐ 4๐๐2 ๐๐ 2 + ๐๐๐2 2
Energi Elektron
Dengan momentum Fermi pF didefinisikan sbg (untuk elektron ):
2 โ๐
โ34
3๐๐๐น
3 = ๐ โ ๐๐น = โ3๐2
๐ฃ
1/3
Dengan substitusi ๐ฅ =๐
๐๐๐, maka integral dalam E0 dapat
dituliskan sbg:๐ธ0๐=๐๐4๐5
๐2โ2๐ฃ๐ ๐ฅ๐น
Dengan
๐ ๐ฅ๐น = เถฑ
0
๐ฅ๐น
๐๐ฅ ๐ฅ2 1 + ๐ฅ2
Energi Elektron
Untuk x<<1 maka : ๐ฅ2 1 + ๐ฅ2 = ๐ฅ2 เตฌ
เตฐ
1 +1
2๐ฅ2 +
1
2
1
2โ1
2๐ฅ4 +
โฏ . = ๐ฅ2 +1
2๐ฅ4 +โฏ .
Untuk x>>1 maka :
๐ฅ2 1 + ๐ฅ2 = ๐ฅ4 1 +1
๐ฅ2
1/2
= ๐ฅ4 1 +1
2
1
๐ฅ2+
12
12โ 1
2
1
๐ฅ4+โฏ . =
= ๐ฅ4 +1
2๐ฅ2 +โฏ . .
Zero Point Pressure
Dengan aproksimasi tsb maka:
๐ ๐ฅ๐น =
1
3๐ฅ๐น3(1 +
3
10๐ฅ๐น2 +โฏ . ) ๐ฅ๐น โช 1
1
4๐ฅ๐น4(1 +
1
๐ฅ๐น2 +โฏ . ) ๐ฅ๐น โซ 1
Dengan ๐ฅ๐น =๐๐น
๐๐๐=
โ
๐๐๐
3๐2
๐ฃ
1/3
Tekanan zero point yang ditimbukan gas Fermi diberikan oleh:
๐0 = โ๐๐ธ0
๐๐=
๐๐4๐5
๐2โ3โ๐ ๐ฅ๐น โ ๐
๐๐ ๐ฅ๐น
๐x๐น
๐๐ฅ๐น
๐๐
๐0 =๐๐4๐5
๐2โ31
3๐ฅ๐น3 1 + ๐ฅ๐น
2 โ ๐ ๐ฅ๐น
Zero Point Pressure
Untuk kasus non relativistik (xF<<1)
๐0 โ๐๐4๐5
๐2โ31
3๐ฅ๐น3 1 + ๐ฅ๐น
2 โ1
3๐ฅ๐น3(1 +
3
10๐ฅ๐น2
๐0 โ๐๐4๐5
๐2โ31
3๐ฅ๐น3(1 +
1
2๐ฅ๐น2) โ
1
3๐ฅ๐น3(1 +
3
10๐ฅ๐น2
๐0 โ๐๐4๐5
15๐2โ3๐ฅ๐น5
Untuk kasus relativistik ekstreem (xF>>1):
๐0 โ๐๐4๐5
๐2โ31
3๐ฅ๐น3 1 + ๐ฅ๐น
2 โ1
4๐ฅ๐น4(1 +
1
๐ฅ๐น2)
Zero Point Pressure
๐0 โ๐๐4๐5
๐2โ31
3๐ฅ๐น4 +
1
6๐ฅ๐น2 โ
1
4๐ฅ๐น4 โ
1
4๐ฅ๐น2 =
๐๐4๐5
12๐2โ3๐ฅ๐น4 โ ๐ฅ๐น
2
โข Jika massa total bintang M dan jari-jarinya R, maka:
โข ๐ = ๐๐ + 2๐๐ ๐ โ 2๐๐๐
โข ๐ =3๐
4๐
1/3
โข Dengan mp:massa proton. Memakai besaran ini maka :
๐ฃ =๐
๐=
4
3๐๐ 3
๐=
8๐๐๐๐ 3
3๐
Zero Point Pressure
Dan :
๐ฅ๐น =โ
๐๐๐
1
๐
9๐
8
๐
๐๐
1/3
โก๐1/3
๐
Dengan definisi
๐ =9๐
8
๐
๐๐dan ๐ =
๐๐๐๐
โ=
๐ โ
๐๐๐
Zero Point Pressure
โข Memakai definisi ๐ dan ๐ tsb, dan
โข ๐พ =๐๐๐
2
12๐2๐๐๐
โ
3, maka:
๐0 โ4
5๐พ
๐5/3
๐ 5 (kasus non relativistik)
๐0 โ ๐พ(๐4/3
๐ 4 โ
๐2/3
๐ 2 ) (kasus extrem
relativistik)
Kesetimbangan Bintang Katai Putih
โข Kesetimbangan bisa dihitung sbb:
โ Andai tak ada gravitasi, maka perlu tekanan dari luar untukmelawan tekanan gas fermi. Besar usaha untukmemampatkan gas tsb dari R= hingga jari-jari tertentu R:
๐ = โ เถฑ
โ
๐
๐04๐๐2๐๐
โ Jika sekarang gravitasi ada, maka akan ada gaya tarik antarmassa di dalam bintang tsb, kita hitung usaha untukmembentuk bintang tsb oleh gaya gravitasi (gravitational self-energy ), berdasarkan analisa dimensionalitasbentuknya :
Kesetimbangan Bintang Katai Putih
๐๐ = โ๐ผ๐พ๐2
๐ Dengan konstanta pembanding (sekitar 1) dan tetapangravitasi umum. Perlu info ttg distribusi massa bintang untukmenghitung .
โข Pada jari-jari kesetimbangan mestilah usaha oleh gaya luar tsb= - usaha oleh gaya gravitasi
เถฑโ
๐
๐04๐๐2๐๐ = โ
๐ผ๐พ๐2
๐
Syarat Kesetimbangan
Ambil turunan thd R pers. Di atas, maka syarat kesetimbangan:
P0 =๐ผ๐พ๐2
4๐๐ 4=
๐ผ๐พ
4๐
8๐๐
9๐
2 ๐๐๐
โ
4 ๐2
๐ 4 (*)
Sebenarnya persamaan ini mendefinisikan konstanta !
Hubungan M dan R, akan diperoleh untuk 3 kasus :
a. Misal suhu elektron jauh lebih tinggi dari suhu Fermi, sehingga distribusi Fermi-Dirac โ gas Boltzmann , sehingga:
๐0 =๐๐
๐ฃ=
3๐๐
8๐๐๐
๐
๐ 3
Hubungan M-R
โข Substitusi ke (*) diperoleh:
๐ =2
3๐ผ๐
๐๐๐พ
๐๐Jadi R sebanding dengan M. Hubungan ini tak pernah dijumpaiuntuk bintang katai putih.
b. Misal bintang katai putih memiliki kerapatan (1/v) yang rendahdan bersifat non relativistik (xF<<1), menggunakan P0 untukkasus ini diperoleh:
4
5๐พ๐5/3
๐ 5 = ๐พโฒ
๐2
๐ 4
Hubungan M-R
Dengan
๐พโฒ =๐ผ๐พ
4๐
8๐๐
9๐
2๐๐๐
โ
4
Sehingga diperoleh persamaan:
๐5/3
๐ =4
5
๐พ
๐พโฒArtinya :
jika massa bintang besar maka jari-jarinya kecil. Cocok dengan aproksimasi yg adalah density rendah, ketika R besar dan M kecil.
Hubungan M-R
โข C. Misal gas elektron memiliki kerapatan besar sehingga efekrelativistik penting (xF>>1), maka dengan P0 yg sesuaididapatkan:
โข ๐พ๐43
๐ 4 โ
๐23
๐ 2 = ๐พโฒ
๐2
๐ 4 atau ๐ = ๐
2/31 โ ๐/๐0
2/3
โข Dengan
โข ๐0 =๐พ
๐พโฒ
3/2=
27๐
64๐ผ
3/2 โ๐
๐พ๐๐2
3/2
๐๐๐๐๐ ๐0 โ
1033๐๐ =massa matahari
โข Aproksimasi ini valid untuk kerapatan tinggi, atau Rโ0. Jadiketika massa mendekati massa matahari.
Limit Chandrasekhar
โข Berarti : tidak ada bintang katai putihyg massanya lebih besar dari matahari(kalau tidak jari-jarinya akan imajiner)!. Secara fisis hal ini dijelaskan karenakalau massa terlalu besar makatekanan (tolak-menolak) karenaprinsip Pauli tidak akan cukupmelawan oleh keruntuhan bintangkarena gaya gravitasinya.
Note: Perhitungan yg lebih akurat memberikan estimate thd Mโ0 = 1,4 M0 ygdikenal dengan nama limit Chandrasekhar. Jadi tak akan ada bintang ygbisa jadi bintang katai putih kalau massanya lebih dari massaChandrasekhar.
Diamagnetism Landauโข Diamagnetism : gejala terinduksinya suatu bahan oleh medan
magnet luar, dan menghasilkan medan magnet induksi yang berlawanan dengan medan magnet luar penginduksi sehinggaterjadi tolak-menolak.
โข Landau mendemonstrasikan sumber diagmagnetism darikuantisasi orbit partikel bermuatan di bawah pengaruhmedan magnet
โข Susceptibilitas magnetik per volum didefinisiknan sbg: ๐ โก๐๐/๐๐ป
โข Dengan M: momen dipol magnet/volume yg searah dengan
medan magnet H: ๐ โก1
๐< โ๐๐ป0/๐๐ป >
Diamagnetism Landauโข Diamagnetism : gejala terinduksinya suatu bahan oleh medan
magnet luar, dan menghasilkan medan magnet induksi yang berlawanan dengan medan magnet luar penginduksi sehinggaterjadi tolak-menolak.
โข Landau mendemonstrasikan sumber diagmagnetism darikuantisasi orbit partikel bermuatan di bawah pengaruhmedan magnet
โข Susceptibilitas magnetik per volum didefinisiknan sbg: ๐ โก๐๐/๐๐ป
โข Dengan M: momen dipol magnet/volume yg searah dengan
medan magnet H: ๐ โก1
๐< โ๐๐ป0/๐๐ป >
Diamagnetism Landauโข Dengan H0: hamiltonian sistem dengan adanya medan magnet
luar H.
โข Untuk Ensembel Kanonik: ๐ = ๐๐๐ ln ๐๐/๐
๐๐ปdan
โข Ensembel Grand Kanonik ๐ = ๐๐๐
๐๐ป
ln ๐
๐ ๐,๐,๐ง
โข Jika ๐ < 0 maka sistem bersifat diagmagnetik dan jika ๐ > 0bersifat paramagnetik
Model Diamagnetism
โข Sumber sifat magnetik bahan :
โข (a) elektron (bebas/terikat) yg bergerak di orbit ygterkuantisasi di bawah medan magnet luar. Hal ini terkaitdengan diagmagnetism
โข (b) spin elektron yg cenderung paralel dengan medan magnet luar. Hal ini terkait dengan paramagnetism.
โข Model diagmagnetism :
gas elektron bebas (spinless) di bawah pengaruh medanmagnet luar. Elektron non relativistik.
Model Diamagnetism
Hamiltonian diberikan oleh:
โข ๐ป0 =1
2๐๐๐ +
๐
๐๐จ
๐
โข Dengan p momentum dan A: vektor potensial magnetik . Konstanta e: besar muatan elektron (+). Sedangkan ๐ฏ = ๐ป ร๐จ
โข Pers. Schrodinger sistem ini : ๐ป0๐ = ๐ธ๐
โข Asumsi : medan magnet luar : ๐ฏ = เท๐๐ป, dengan H: konstan(uniform external field), dengan ini maka : ๐จ = โ๐ป๐ฆ เท๐ kitapilih Ay=Az=0.
Hamiltonian Sistem
โข Substitusikan ke pers. Schrodinger akan menghasilkan:
1
2๐โ2๐๐ฅ
2 + โ2๐๐ง2 + ๐๐ฆ
2 +๐๐ป
๐๐ฆ
2
โ2๐๐ป
๐โ๐๐ฅ๐ฆ ๐ = ๐ธ๐
โ2
2๐๐๐ฅ2 + ๐๐ง
2 +1
2๐๐๐ฆ2 +
1
2๐
๐๐ป
๐๐ฆ
2
โ โ๐๐ฅ๐๐ป
๐๐๐ฆ ๐
= ๐ธ๐
Pers. Schrodinger System
Pakai definisi frekuensi cyclotron :๐0 โก๐๐ป
๐๐, maka:
โ2
2๐๐๐ฅ2 + ๐๐ง
2 +1
2๐๐๐ฆ2 +
1
2๐๐0
2๐ฆ2 โ๐0โ๐๐ฅ๐ฆ ๐ = ๐ธ๐
Selanjutnya kuantitas dalam [..] dapat dituliskan sbg:
[..] =1
2mpy2 +
1
2๐๐0
2 ๐ฆ โ ๐ฆ02 โ
โ2 ๐๐ฅ2
2๐dengan ๐ฆ0 โก
โ๐
๐๐ป๐๐ฅ
Sehingga persamaan Schrodinger menjadi:1
2๐๐๐ฆ2 +
1
2๐๐0
2 ๐ฆ โ ๐ฆ02 ๐ ๐ฆ = ๐ธโฒ๐(๐ฆ)
Dengan Eโฒ = E โโ2 ๐๐ง
2
2๐
Energi eigen sistem
Arti:1
2๐๐๐ฆ2 +
1
2๐๐0
2 ๐ฆ โ ๐ฆ02
Suku : Energi kinetik + potensial dari osilator harmonis dengan pusatosilasi di y0 dengan frekuensi ฯ0. Oleh karena itu energi eigen sistemosilator ini adalah:
โ๐0 ๐ +1
2, ๐ = 0,1,2,โฆ
Dan energi eigen sistem keseluruhan adalah:
๐ธโฒ = ๐ธ โโ2๐๐ง
2
2๐= โ๐0 ๐ +
1
2๐๐ก๐๐ข ๐ธ(๐๐ง, ๐) =
๐๐ง2
2๐+ โ๐0 ๐ +
1
2
Eโ : kontribusi energi dari komponen gerak arah XY = โ๐0(n+1/2 ).
Ingat ๐0 โก๐๐ป
๐๐
Energi kinetik darigerak sejajar medan
luar (z)
Energi krn gerak di bidang tegak lurus
medan luar (XY)
Analisa Energi & Level Landau
โข Jika H=0, maka eigenstates hanyalah gerak di bidang XY saja, dengan spektrum energi diberikan oleh :
โข ๐ธโฒ =โ2๐๐ฅ
2
2๐+
โ2๐๐ฆ2
2๐
โข Tapi sejalan dengan L (ukuran sistem) โ, maka praktisspektrum energi ini kontinu.
โข Jika H0, maka spektrum energi yg kontinu akan pecahmenjadi satu set tingkat energi diskrit yg degenerate yg
dilabeli bilangan kuantum n, dengan energi Eโ = โ๐0 ๐ +1
2
Analisa Energi & Level Landau
โข Untuk tiap nilai n tertentu, ada banyak status degenerate ygdilabeli kx. Set yg dilabeli satu nilai n disebut level Landau.
โข Jarak antara 2 Level Landau adalah โ๐0 =๐โ
๐๐๐ป. Jelas
semakin besar medan luar, semakin besar juga jarak ini.
โข Misal elektron ini berada dalam kotak LxLxL. Dengan syaratbatas periodik, maka nilai-nilai kx yg diijinkan adalah
โข ๐๐ฅ =2๐๐๐ฅ
๐ฟ, dengan nx=0, 1, 2,โฆ
Degenerasi Level Landau
โข Tetapi ada batasan nx sebab y0
mestilah: 0y0 L, sehingga nx
mestilah positif.
โข ๐ฆ0 =โ๐
๐๐ป๐๐ฅ =
โ๐
๐๐ป
๐๐ฅ
๐ฟ
โข Berarti nx max :
๐๐ฅ,๐๐๐ฅ =๐๐ป
โ๐๐ฟ2 โก ๐
g: degenerasi tiap level Landau!
n=0
Susceptibility Magnetik
โข Fungsi partisi Grand Kanonik:
๐ =เท
๐
(1 + ๐ง๐โ๐ฝ๐๐)
โข Dengan m =(pz,n,) dengan =1,2,..,g.
ln ๐ =
๐ผ=1
๐
๐=0
โ
๐๐ง
ln(1 + ๐ง๐โ๐ฝ๐๐๐ง,๐,๐ผ )
mengingat ๐๐ง = โ๐๐ง =โ
2๐
2๐
๐ฟ๐๐ง =
โ
๐ฟ๐๐ง, sehingga ฮฃ๐๐ง โ
2๐ฟ
โโซ ๐๐: banyak momentum pz :โโ,โฆ ,โ
Susceptibility Magnetik
Sehingga:
ln ๐ โ2๐๐ฟ
โ
๐=0
เถฑ0
โ
๐๐ ln(1 + ๐ง๐โ๐ฝ๐ ๐,๐ )
Jumlah rata-rata elektron:
N โ2๐๐ฟ
โ
๐=0
เถฑ0
โ
๐๐1
๐งโ1๐๐ฝ๐ + 1
Pada daerah klasik, yaitu T>>. Pada limit ini zโ 0 agar N tetapberhingga. Sehingga persamaan di ln di ekspansi dan diambilorder-1:
ln 1 + ๐ง๐โ๐ฝ๐ โ๐ง๐โ๐ฝ๐
Susceptibility Magnetik
Sehingga:
ln ๐ โ2๐๐ฟ๐ง
โ
๐=0
เถฑ0
โ
๐๐๐ง๐โ๐ฝ๐ =2๐๐ฟ๐ง
โ
๐=0
เถฑ0
โ
๐๐๐ง๐โ๐ฝ(
๐2
2๐+โ๐0 ๐+12 )
ln ๐ โ2๐๐ฟ๐ง
โ
๐=0
๐โ๐ฝโ๐0 ๐+
12 เถฑ
0
โ
๐๐๐ง๐โ๐ฝ(๐2
2๐)
โ2๐๐ฟ๐ง
โ
2๐mkT
2
๐=0
โ
๐โ๐ฝโ๐0 ๐+
12
ln ๐ โ๐๐ฟ๐ง
๐
๐โ๐ฝโ๐02
1 โ ๐โ๐ฝโ๐0=๐๐ฟ๐ง
๐
๐โ๐ฅ
1 โ ๐โ2๐ฅ
Aproksimasi suhu Tinggi
Dengan ๐ =โ
2๐mkt๐๐๐ ๐ฅ =
๐ฝโ๐0
2, aproksimasi untuk x kecil:
๐โ๐ฅ
1 โ ๐โ2๐ฅ=
1
๐๐ฅ โ ๐โ๐ฅ
โ1
1 + ๐ฅ +๐ฅ2
2+๐ฅ3
6+โฏโ (1 โ ๐ฅ +
๐ฅ2
2โ๐ฅ3
6+โฏ)
โ1
2๐ฅ +13๐ฅ3 +โฏ .
โ1
2๐ฅ1 +
1
6๐ฅ2+. .
โ1
โ1
2๐ฅ(1 โ
1
6๐ฅ2 +โฏ)
Sehingga
ln ๐ โ๐๐ฟ๐ง
๐
1
2๐ฅ1 โ
1
6๐ฅ2 =
๐๐ฟ๐ง
๐
๐๐
โ๐01 โ
1
24
โ๐0
๐๐
2
Susceptibilitas Magnetik
Dengan mengingat definisi ๐ =๐๐ป
โ๐๐ฟ2 dan ๐0 =
๐๐ป
๐๐, maka faktor
๐๐ฟโ
๐๐0= ๐ dengan V=L3. Sehingga :
ln ๐ โ๐ง๐
๐31 โ
1
24
โ๐0
๐๐
2
Sekarang kita bisa menghitung susceptibilitas magnetik :
๐ =๐
๐๐ป๐ ๐๐๐๐๐๐ ๐ = ๐๐
๐
๐๐ป
ln ๐
๐
Maka akan diperoleh :
๐ = โ๐ง
3๐๐๐3eโ
2๐๐
2
Susceptibilitas Magnetik
โข Jelas ๐ <0 faktor dalam (..) tak lain adalah Bohr Magneton. Variabel z dapat dieliminasi dengan bantuan N denganmempertahankan hingga order satu dalam z.
โข Hasil akhirnya dapat diperoleh:
๐ = โ1
3๐๐๐ฃ
๐โ
2๐๐
2
Hasil ini sesuai dengan hukum Curie yang terkenal bahwa ๐ ~1
๐