statisztikus fizika gyakorlat - elte

59

Upload: others

Post on 01-Dec-2021

12 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Statisztikus Fizika Gyakorlat

2018. február 19.

Ludwig Boltzmann, who spent much of his life studying statistical mechanics, died in 1906, by his own hand.

Paul Ehrenfest, carrying on the work, died similarly in 1933.

Now it is our turn to study statistical mechanics.

DAVID L. GOODSTEIN

in

STATES OF MATTER

1

Page 2: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

I. rész

Néhány hasznos matematikai formula

1. Gauss-integrál

Vezessük le a következ® integrált:

I =

∫ ∞−∞

e−x2

dx =√π. (1)

Célszer¶ a kifejezés négyzetét vizsgálni!

I2 =

∫ ∞−∞

∫ ∞−∞

e−x2−y2

dxdy. (2)

Az integrált írjuk át polárkoordinátákba!

x = r cosϕ, (3)

y = r sinϕ,

dxdy = rdϕdr.

A keresett integrál a következ® alakot ölti:

I2 =

∫ ∞0

∫ 2π

0

e−r2

rdϕdr = 2π

∫ ∞0

e−r2

rdr. (4)

Megjegyzés: Vegyük észre, hogy míg a polárkoordinátáknál 0-tól∞-ig integráltunk, az eredeti integrálunk −∞-t®l∞-ig megy.Itt nem követtünk el semmilyen matematikai hibát ugyanis ezt a szögfüggéssel gyelembe vettük a polárkoordináták segítségével.Végezzünk el még egy változó cserét!

u = r2, (5)du

dr= 2r → dr =

du

2r.

Így már elemi integrációs szabályokkal kiértékelhet® összefüggésre jutunk:

I2 = 2π

∫ ∞0

e−u

2du = π

[−e−u

]∞0

= π. (6)

A keresett integrál tehát: ∫ ∞−∞

e−x2

dx =√π. (7)

Egy egyszer¶ változó cserével lássuk be a Gauss-integrál egyszer¶ általánosítását:

∫ ∞−∞

e−ax2

dx =

√π

a. (8)

ax2 = t2, (9)

dtdx

=√a→ dt =

√adx. (10)

2

Page 3: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Kapjuk tehát, hogy ∫ ∞−∞

e−ax2

dx =

∫ ∞−∞

e−t2 dt√

a=

√π

a. (11)

1. Gyakorlat. Lássuk be, hogy ha a > 0 valós szám akkor:

∫ ∞−∞

e−ax2+bx+cdx =

√π

aeb2

4a+c (12)

Útmutatás:

• Alakítsuk teljes négyzetté a kitev®ben szerepl® polinomot!

• A Gauss-integrál invariáns az integrandus eltolására!

• A négyzetes tag együtthatójától egy alkalmas változó cserével szabadulhatunk meg.

2. A Gamma-függvény néhány tulajdonsága

1. ábra. A Gamma függvény

A Gamma-függvény:

Γ(x) =

∫ ∞0

e−ttx−1dt, Re(x) > 0, (13)

A fenti deníció segítségével lássuk be, hogy

Γ(x+ 1) = xΓ(x). (14)

3

Page 4: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Γ(x+ 1) =

∫ ∞0

e−t︸︷︷︸v′

tx︸︷︷︸u

dt (15)

= [tx(−e−t)]∞0︸ ︷︷ ︸0

−∫ ∞

0

−e−t︸ ︷︷ ︸v

xtx−1︸ ︷︷ ︸u′

dt (16)

= x

∫ ∞0

e−ttx−1dt (17)

= xΓ(x) (18)

ahol kihasználtuk a parciális integrálás szabályát∫u(t)v′(t)dt = u(t)v(t)−

∫u′(t)v(t)dt (19)

és az alábbi két ismert összefüggést

∫eαtdt =

eαt

α, (20)

∂ttα = αtα−1. (21)

Lássuk be a következ® két összefüggést is!

Γ(1) = 1 (22)

Γ

(1

2

)=√π (23)

Γ(1) =

∫ ∞0

e−tt1−1dt (24)

=

∫ ∞0

e−tdt (25)

= [−e−t]∞0 = 1 (26)

Felhasználva a (14) és (22) összefüggéseket a Γ(x) függvényt tetsz®leges pozitív egész számokra meghatározhatjuk:

Γ(2) = 1Γ(1) = 1 (27)

Γ(3) = 2Γ(2) = 2 · 1 (28)

Γ(4) = 3Γ(3) = 3 · 2 · 1 (29)

Γ(n) = (n− 1)! n ∈ N (30)

Γ(1/2) =

∫ ∞0

e−tt1/2−1dt (31)

=

∫ ∞0

e−t

t1/2dt (32)

4

Page 5: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Hajtsuk végre a következ® változó cserét:

u = t1/2, (33)dudt

=1

2

1

t1/2. (34)

Így kapjuk, hogy

∫ ∞0

e−t

t1/2dt =

∫ ∞0

e−u2

2du, (35)

=

∫ ∞−∞

e−u2

du =√π. (36)

(a) A Stirling-formula levezetése során alkalmazott közelítés (b) A Stirling-formula és a Γ-függvény

2. ábra. Stirling közelítés

Termodinamikai határesetek vizsgálata során sokszor fogunk találkozni olyan esetekkel amikor a Γ(n) függvényt a n 1értékekre kell kiértékelnünk.

Lássuk be a következ® hasznos közelít® formulát:

Stirling-formula:

n! = nne−n√

2πn

(1 +O

(1

n

))(37)

n! = Γ(n+ 1) =

∫ ∞0

e−ttndt (38)

=

∫ ∞0

e−t+n ln tdt

=

∫ ∞0

e−fn(t)dt,

fn(t) = t− n ln t. (39)

Fejtsük sorba az fn(t) függvényt a minimuma körül!

∂tfn(t) = 1− n

t, (40)

∂tfn(t0) = 0→ t0 = n. (41)

5

Page 6: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Elegend® elvégezni a sorfejtést másod rendig. Azaz a következ® közelítéssel élünk:

fn(t) ≈ fn(t0) + ∂tfn(t0) (t− t0) +1

2∂2t fn(t0) (t− t0)

2, (42)

∂2t fn(t) =

n

t2→ ∂2

t fn(t0) =n

n2=

1

n, (43)

fn(t) ≈ n− n lnn+ ∂tfn(t0) (t− t0)︸ ︷︷ ︸by def=0

+1

2

(1

n

)(t− n)

2. (44)

Visszaírva ezt a (38) kifejezésbe:

n! =

∫ ∞0

e−ttndt (45)

=

∫ ∞0

e−fn(t)dt

≈ e−(n−n lnn)

∫ ∞0

e−(t−n)2

2n dt.

A kifejezésben szerepl® integrál alsó határát kiterjeszthetjük −∞-ig hiszen feltettük, hogy n 1:

n! ≈ e−(n−n lnn)

∫ ∞−∞

e−(t−n)2

2n dt (46)

= e−(n−n lnn)√

2πn.

Ahol felhasználtuk a Gauss-integrálra vonatkozó (8) azonosságot. A kapott eredmény pedig nem más mint maga a (37) Stirling-formula. Sokszor fogunk találkozni a Stirling-formula logaritmusával:

lnn! ≈ n lnn− n+1

2ln (2πn) (47)

ln Γ(n) ≈ n lnn− n+O (lnn) (48)

3. D-dimenziós gömb térfogata

Sokszor szükségünk lesz több dimenziós integrálok elvégzésére. Ezen integrálok elvégzésében rendszerint segítségünkre lesz azadott dimenzióbeli gömb térfogata. Vizsgáljuk meg hát, hogy hogyan függ a térfogat kifejezése a dimenziótól:

dimenzió VD(r) SD(r)dr1 2r 2dr2 πr2 2πrdr3 4

3πr3 4πr2dr

...D CDr

D CDDrD−1dr

Egy adott dimenzióban egy adott sugarú gömb térfogata VD(r) és a felülete között az alábbi általános összefüggés teremtkapcsolatot:

VD(r) =

∫ r

0

SD(%)d%, (49)

CDrD = CDD

∫ r

0

%D−1d% (50)

Határozzuk meg CDértékét! Induljunk ki D darab Gauss-integrál szorzatából:[∫ ∞−∞

e−x2

dx

]D= πD/2 (51)

6

Page 7: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Mivel az integrandus gömb szimmetrikus ezért elég csak a sugár irányú integrálra koncentrálnunk.

πD/2 =

∫e−(x2

1+x22+···+x2

D)︸ ︷︷ ︸e−r2

DCDrD−1dr︷ ︸︸ ︷

dx1dx1 . . . dxD (52)

= DCD

∫ ∞0

e−r2

rD−1dr

Alkalmazzunk egy változó cserét:

u = r2, (53)du

dr= 2r → du = 2rdr.

dr = u−12du2

(54)

πD/2 = DCD

∫ ∞0

e−uuD2 −1 du,

2(55)

πD/2 = CDD

(D

2

)= CDΓ

(D

2+ 1

). (56)

A keresett együttható tehát:

CD =πD/2

Γ(D2 + 1

) . (57)

Kiértékelve ezt az összefüggést vissza kapjuk a már ismert együtthatókat:

D = 1→ C1 =π1/2

Γ(3/2)=

π1/2

12Γ(1/2)

= 2 (58)

D = 2→ C2 =π2/2

Γ (2)= π (59)

D = 3→ C3 =π3/2

Γ(

32 + 1

) =π3/2

32Γ(

32

) =π3/2

32 ×

12Γ(

12

) =π

32 ×

12

=4

3π (60)

4. Pauli mátrixok és 12-spin algebra

4.1. A ρ s¶r¶ségmátrix általános tulajdonságai

Kvantumos rendszerek statisztikus vizsgálatában kulcs szerep jut a ρ s¶r¶ségmátrixnak:

ρ =∑α

wα |α〉 〈α| , (61)

ahol |α〉 a rendszer valamely tiszta állapotát jelöli és a wα > 0 valószín¶ségi súlyok összege egységnyi:∑α

wα = 1. (62)

7

Page 8: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Ezekb®l

ρ = ρ†, (63)

Trρ = 1, (64)

Trρ2 ≤ 1. (65)

az utolsó esetében az egyenl®ség tiszta állapotokra áll fenn, azaz ha igaz, hogy

ρ = |ϕ〉 〈ϕ| . (66)

Megjegyzés: A legegyszer¶bb a 65. egyenletb®l megkapni hogy mennyire tiszta az állapot.

4.2. Két állapotú kvantum rendszerek

A legegyszer¶bb nem triviális kvantum rendszer két állapottal bír. Gondoljunk egy magányos elektron spin szabadsági fo-kára! Ebben az esetben a két dimenziós Hilbert-teret kifeszít® bázisvektorok választhatóak például a spin z komponenséneksajátvektorjaiként:

|↑〉 =

(10

), |↓〉 =

(01

). (67)

Egy általános tiszta állapot ezek lineárkombinációjaként áll el®:

|ϕ〉 = a |↑〉+ b |↓〉 =

(ab

). (68)

Az állapotok normáltsága megszorítja a két kifejtési együtthatót:

〈ϕ |ϕ〉 = 1,→ aa∗ + bb∗ = 1. (69)

Ezen a Hilbert-téren ható hermitikus operátorok, mint például a ρ s¶r¶ségmátrix, a Pauli-mátrixok σx,y,z és az egység mátrixσ0 segítségével kifejthet®ek.

Pauli-mátrixok:

σx =

(0 11 0

), σy =

(0 −ii 0

), σz =

(1 00 −1

)(70)

Identitás:

σ0 =

(1 00 1

)(71)

A teljesség igénye nélkül tekintsünk át néhány a Pauli-mátrixokra vonatkozó hasznos azonosságot! A Pauli-mátrixok négyzeteaz egység, illetve két Pauli-mátrix szorzata a harmadik mátrixszal arányos (sorrendt®l függ®en ±i faktorral):

σiσj = iεijkσk + δijσ0. (72)

Vezessük be a Pauli-mátrixokból alkotott ~σ vektort:

~σ =

σxσyσz

(73)

A (72) szorzat szabályokból következik, hogy:

(~a · ~σ)(~b · ~σ

)= apσpbqσq (74)

= iεpqkapbqσk + δpqapbqσ0 (75)

=(~a ·~b

)σ0 + i

(~a×~b

)· ~σ (76)

Mivel a Pauli-mátrixok nyoma elt¶nik ezért tetsz®leges lineár kombinációik nyoma is elt¶nik:

Tr ((~a · ~σ)) = 0. (77)

8

Page 9: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Szintén a szorzat szabályok és a nyomtalanság következménye, hogy

Tr ((~a · ~σ)σi) = 2ai. (78)

Pauli-mátrixok lineárkombinációjának determinánsa az együttható vektor hosszának négyzetével arányos:

det (~a · ~σ) = −~a · ~a = −a2, (79)

ahola =

√a2x + a2

y + a2z. (80)

A kvantummechanikai problémák megoldásakor számos alkalommal el®fordul, hogy egy operátor exponenciális függvényét kellkiértékelni. Két állapotú rendszer esetén az operátorok exponencializáltja zárt alakban meghatározható

exp(iα (~a · ~σ)) = σ0 cosα+ i (~a · ~σ) sin(α). (81)

2. Gyakorlat. Bizonyítsuk be (81)-t!

Vizsgáljuk meg, hogy egy általános 2 × 2-es hermitikus mátrix mikor lehet egy rendszer s¶r¶ség mátrixa! Induljunk alegáltalánosabb alakból:

ρ = d0σ0 + ~d · ~σ = d0σ0 + dxσx + dyσy + dzσz (82)

=

(d0 + dz dx − idydx + idy d0 − dz

)(83)

Mivel a Pauli-mátrixok nyoma zérus, ezért σ0 együtthatóját (64) egyértelm¶en meghatározza:

Trρ = 1→ d0 =1

2. (84)

A ρ2-re vonatkozó (65) kritérium a ~d vektor hosszára ró megszorítást:

Trρ2 = Tr((d0σ0 + ~d · ~σ

)(d0σ0 + ~d · ~σ

))(85)

= Tr((d2

0 + d2)σ0

)= 2

(d2

0 + d2). (86)

Trρ2 ≤ 1→ 0 ≤ d ≤ 1

2. (87)

4.3. Példák

a) Tiszta állapot:

A kétállapotú kvantumrendszer egy tetsz®leges állapotát szokás a Bloch-gömb θ és φ szögeivel paraméterezni:

|ϕ〉 = cos

2

)|↑〉+ eiφ sin

2

)|↓〉 . (88)

3. ábra. A Bloch-gömb

Számítsuk ki ebben a tiszta állapotban a s¶r¶ség mátrixot:

ρ = |ϕ〉 〈ϕ| (89)

ρ = cos2

2

)|↑〉 〈↑|+ e−iφ sin (θ)

2|↑〉 〈↓| (90)

+ eiφ sin (θ)

2|↓〉 〈↑|+ sin2

2

)|↓〉 〈↓| (91)

9

Page 10: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

ρ =

(cos2

(θ2

)e−iφ sin(θ)

2

eiφ sin(θ)2 sin2

(θ2

) )=

1

2

(1 + cos (θ) e−iφ sin (θ)eiφ sin (θ) 1− cos (θ)

)(92)

ρ =1

2(σ0 + sin (θ) cos (φ)σx + sin (θ) sin (φ)σy + cos (θ)σz) (93)

d =1

2→ Trρ = 1, Trρ2 = 1 (94)

b) Teljesen kevert állapot:

Határozzuk meg a |↑〉 és |↓〉 állapotok 1/2 valószín¶séggel vett statisztikus keverékének s¶r¶ség mátrixát:

ρ =|↑〉 〈↑|+ |↓〉 〈↓|

2, (95)

=1

2

(1 00 1

)=σ0

2. (96)

d = 0→ Trρ = 1, Trρ2 =1

2(97)

c) Részlegesen kevert állapot

Határozzuk meg a |↑〉 és |↓〉 állapotok p valószín¶séggel vett statisztikus keverékének s¶r¶ség mátrixát:

ρ = p |↑〉 〈↑|+ (1− p) |↓〉 〈↓| (98)

=

(p 00 1− p

)=σ0

2+

(p− 1

2

)σz (99)

d =

(p− 1

2

)→ Trρ = 1, Trρ2 =

1

2+ 2

(p− 1

2

)2

(100)

3. Gyakorlat. Tekintsük egy két állapotú rendszer két (|α〉 és |β〉) nem ortogonális állapotából (〈α |β〉 = x) pvalószín¶séggel kevert állapotot. Határozzuk meg Trρ2-t !

4.4. Két kétállapotú kvantum rendszer

Vizsgáljuk meg hogy milyen állapotok írhatnak le egy olyan kvantum rendszert melyet két darab két állapotú rendszer alkot.Gondoljunk például itt két darab lokalizált elektron spin szabadsági fokára! Ekkor az els® két állapotú rendszer állapotait az|↑〉1,|↓〉1 állapotokkal jellemezhetjük míg a második rendszer leírására a|↑〉2,|↓〉2 állapotok szolgálnak bázisul. A két rendszeregyüttes leírására természetszer¶en adódik a következ® négy, teljes ortonormált rendszert alkotó bázis állapot:

|↑〉1 |↑〉2 , |↑〉1 |↓〉2 , (101)

|↓〉1 |↑〉2 , |↓〉1 |↓〉2 .

A |↑〉1 |↓〉2 állapotban például az els® spin felfelé míg a második lefelé áll. A

|Φ〉 = |~n〉1 |~m〉2 (102)

alakú állapotokon kívül, melyekben az összetev® rendszerek jól meghatározott állapotban vannak, a kvantummechanika meg-engedi hogy ezen állapotok tetsz®leges lineáris kombinációjában legyen a rendszer. Azaz lehetséges például a klasszikusan nemmegengedett

|Ψ〉 =|↑〉1 |↓〉2 + |↓〉1 |↑〉2√

2(103)

10

Page 11: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

összefonódott állapot! Figyeljük meg hogy ebben az állapotban nem tehetünk biztos kijelentést a rendszer egyik rész részénekaz állapotáról, viszont a részrendszerek kölcsönös állapotáról van információnk!

Vizsgáljuk meg hogy a fent deniált két tiszta állapotot milyen s¶r¶ségmátrix írja le!

ρΦ = |Φ〉 〈Φ| = (|~n〉1 |~m〉2) (〈~n|1 〈~m|2) (104)

= |~n〉1 〈~n|1 ⊗ |~m〉2 〈~m|2 (105)

Ahol a ⊗ a két projektor tenzorszorzatát jelöli.

ρΨ =1

2(|↑〉1 |↓〉2 + |↓〉1 |↑〉2) (〈↑|1 〈↓|2 + 〈↓|1 〈↑|2) (106)

=1

2(|↑〉1 〈↑|1 ⊗ |↓〉2 〈↓|2 + |↑〉1 〈↓|1 ⊗ |↓〉2 〈↑|2 (107)

+ |↓〉1 〈↑|1 ⊗ |↑〉2 〈↓|2 + |↓〉1 〈↓|1 ⊗ |↑〉2 〈↑|2) (108)

A s¶r¶ségmátrix bevezetésénél láttuk, hogy egy mérés eredményének várhatóértékét, a mért mennyiség operátorának a s¶r¶ség-mátrixal vett szorzatának a nyoma adja.

A = Tr[ρA]

(109)

Ha egy több részrendszerb®l álló rendszeren végzünk méréseket akkor sokszor ezen mérés egy részrendszerre korlátozódik. Ekkorcélszer¶ bevezetni egy részrendszer s¶r¶ségmátrixát melyet a teljes s¶r¶ségmátrix részleges nyoma adja az alábbiak szerint.

ρ1 = Tr2 [ρ] , ρ2 = Tr1 [ρ] (110)

aholTr2

[A⊗ B

]= Tr

[B]A, Tr2

[A⊗ B

]= Tr

[A]B. (111)

Vizsgáljuk meg ρΦ-b®l és ρΨ -b®l el®álló az els® részrendszert leíró eektív s¶r¶ségmátrixokat.

ρΦ1 = Tr2 (|~n〉1 〈~n|1 ⊗ |~m〉2 〈~m|2) (112)

= |~n〉1 〈~n|1 Tr (|~m〉2 〈~m|2) (113)

= |~n〉1 〈~n|1 (114)

Ebben az esetben tehát a részrendszert leíró eektív s¶r¶ségmátrix egy tiszta rendszer s¶r¶ség mátrixa!

ρΨ1 =1

2Tr2 [|↑〉1 〈↑|1 ⊗ |↓〉2 〈↓|2 + |↓〉1 〈↓|1 ⊗ |↑〉2 〈↑|2] (115)

=1

2[|↑〉1 〈↑|1 + |↓〉1 〈↓|1] . (116)

ahol kihasználtuk hogy Tr [|↓〉 〈↑|] = 0. Vegyük észre hogy ebben az esetben a kapott redukált s¶r¶ségmátrix egy teljesen kevertrendszer s¶r¶ségmátrixa!

Az összefonódott tiszta állapotok ezen tulajdonságát, miszerint a bel®lük származtatott redukált s¶r¶ségmátrixok kevertrendszerek s¶r¶ségmátrixát adják szokás általában is az összefonódás mértékével kapcsolatba hozni.

Felmerül a kérdés, hogy lehetséges-e valamilyen módon összefonódott állapotokat el®állítani olyan állapotokból melyek ere-detileg nem voltak összefonódva. A válasz igen! Vizsgáljuk meg például az alábbi unitér operátort:

UCNOT = |↑〉1 〈↑|1 ⊗ |↑〉2 〈↑|2 + |↑〉1 〈↑|1 ⊗ |↓〉2 〈↓|2 (117)

+ |↓〉1 〈↓|1 ⊗ |↑〉2 〈↓|2 + |↓〉1 〈↓|1 ⊗ |↓〉2 〈↑|2

Ez az operátor az els® spin állapotától függ®en billenti a második állapotot. Ha az els® spin felfelé mutatott akkor a másodikatbékén hagyja, ellenkez® esetben a második spin fordul! Tekintsük ezen operátor hatását a következ® állapotra

|Φ〉xz =1√2

(|↑〉1 + |↓〉1) |↓〉2 . (118)

UCNOT |Φ〉xz =1√2

(|↑〉1 |↓〉2 + |↓〉1 |↑〉2) (119)

A kapott állapot éppen az a teljesen összefont állapot melyet korábban vizsgáltunk!

11

Page 12: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Összefonódott állapotokat a szorzat alakban el®álló állapotokhoz hasonlóan (például (101)) használhatunk két kétállapotúrendszert leíró Hilbert-tér bázisául is. ∣∣Φ±⟩ =

1√2

(|↑〉1 |↑〉2 ± |↓〉1 |↓〉2) (120)∣∣Ψ±⟩ =1√2

(|↑〉1 |↓〉2 ± |↓〉1 |↑〉2) (121)

4. Gyakorlat. Bizonyítsuk be a következ® algebrai összefüggést három darab kétállapotú rendszerre vonatkozólag:

(α |↑〉1 + β |↓〉1)∣∣Φ±⟩

23=

1

2

[∣∣Φ+⟩

12(α |↑〉3 + β |↓〉3) +

∣∣Φ−⟩12

(α |↑〉3 − β |↓〉3) (122)∣∣Ψ+⟩

12(β |↑〉3 + α |↓〉3) +

∣∣Ψ−⟩12

(β |↑〉3 − α |↓〉3)]

(123)

12

Page 13: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

II. rész

Állapot számolás

Állapotok száma adott E energia alatt:

Klasszikus rendszer: Ω0(E) =1

hN

∫H(p,q)<E

(dpdq)N (124)

Kvantumos rendszer: Ω0(E) =∑En<E

1 =∑n

Θ (E − EN ) (125)

Állapotok száma E és E + δE között:

Ω(E, δE) = Ω0(E + δE)− Ω0(E) (126)

Állapots¶r¶ség:

ω (E) =dΩ0

dE= limδE→0

Ω(E, δE)

δE(127)

Fázis térfogat elem szabály:

h = dpdq (128)

Az alábbiakban három egyszer¶en számítható rendszer állapotainak számát határozzuk meg klasszikus és kvantumos módsze-rekkel.

5. Egy darab, dobozba zárt, egydimenziós részecske

5.1. Klasszikus

A Hamilton-függvény csak a kinetikus energiából származó tagot tartalmazza:

H =p2

2m. (129)

Egy adott E energia alatti állapotok a fázis térben egy téglalapot jelölnek ki, melynek felülete adja Ω0-t:

4. ábra. Klasszikus dobozba zárt ré-szecske fázistere

Ω0 (E) =

∫H<E

dpdq

h=

2a

h

√2mE. (130)

5.2. Kvantumos

A kvantummechanikai leírás a Schrödinger-egyenlet megoldásával kezd®dik.

− ~2

2m∂2xψ = Eψ, (131)

ψ∞k (x) = eikx, (132)

E =~2k2

2m, (133)

k =

√2mE

~. (134)

13

Page 14: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Itt feltettük, hogy egy végtelen rendszert vizsgálunk. A véges rendszer állapotait illetve spektrumát a végtelen rendszerb®l amegfelel® peremfeltételek kirovásával és azok teljesítésével kapjuk. Vizsgáljuk meg a két leggyakrabban tárgyalt peremfeltételt!

a) Zárt peremfeltétel

ψ (0) = ψ (a) = 0. (135)

5. ábra. Kvantumos dobozba zárt ré-szecske hullámszámtérben

Adott E energián a zárt peremfeltételt teljesít® hullámfüggvény el®áll mint a k és a−k hullámszámokhoz tatozó hullámfüggvények lineárkombinációja:

ψzártk (x) =

ψ∞k (x)− ψ∞−k (x)

2i= sin (kx) (136)

A peremfeltétel megköti a k hullámszám lehetséges értékét:

ψ(a) = 0→ k =nπ

a, n = 1, 2, . . . nmax, (137)

kmax =nmaxπ

a, (138)

Emax =~2

2m

(nmaxπa

)2

. (139)

Adott Eenergia alatt lév® állapotok száma tehát

Ω0 (E) = Int[ aπ~√

2mE]

= Int

[2a

h

√2mE

](140)

ahol bevezettük a Int [x] jelölést x valós szám egész részére.

6. ábra. Dobozba zárt részecske álla-potainak száma

b) Periodikus peremfeltétel

Ha periodikus peremfeltétellel élünk akkor a végtelen rendszer síkhullám megoldásaimegfelel® k hullámszámok mellett már kielégít® megoldásai a Schrödinger egyenletnek:

ψperiodikusk (x) = ψ∞k (x) = eikx, (141)

ψ (x+ a) = ψ (x) , (142)

→ eikx = eikx+ika (143)

→ ka = 2nπ (144)

n = −nmax . . . 0 . . . nmax (145)

Adott Eenergia alatt lév® állapotok száma tehát

Ω0 (E) = 2Int

[a

√2mE

~

]+ 1 = 2Int

[ah

√2mE

]+ 1 (146)

Mindkét peremfeltétel esetén teljesül tehát, hogy nagy energiákra a klasszikus állapot-szám jó közelítése a kvantumos kifejezéseknek.

14

Page 15: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

6. Rotátor

7. ábra. A rotátor fázisterének impul-zus altere

A rotátor egy egy térbeli tömegpont melynek r távolsága a koordináta rendszer közép-pontjától id®ben állandó, azaz

d

dtr = r = 0. (147)

6.1. Klasszikus

Fejezzük ki a pozíció és a sebesség vektorokat gömbi polárkoordináta rendszerben

~r =

xyz

= r

sinϑ cosϕsinϑ sinϕ

cosϑ

, ~r = r

ϑ cosϑ cosϕ− ϕ sinϑ sinϕ

ϑ cosϑ sinϕ+ ϕ sinϑ cosϕ

−ϑ sinϑ

(148)

A sebesség négyzete tehát

x2 = r2

(ϑ2 cos2 ϑ cos2 ϕ+ ϕ2 sin2 ϑ sin2 ϕ− ϑϕ sin (2ϑ) sin (2ϕ)

2

),

y2 = r2

(ϑ2 cos2 ϑ sin2 ϕ+ ϕ2 sin2 ϑ cos2 ϕ+

ϑϕ sin (2ϑ) sin (2ϕ)

2

), (149)

z2 = r2ϑ2 sin2 ϑ.

(x2 + y2 + z2

)= r2

ϑ2(cos2 ϑ cos2 ϕ+ cos2 ϑ sin2 ϕ+ sin2 ϑ

)︸ ︷︷ ︸1

+ϕ2

sin2 ϑ︷ ︸︸ ︷(sin2 ϑ sin2 ϕ+ sin2 ϑ cos2 ϕ

) . (150)

A kinetikus energia szögváltozókkal kifejezve a következ® alakot ölti

Ekin =1

2m(x2 + y2 + z2

), (151)

=1

2mr2

[ϑ2 + ϕ2 sin2 ϑ

], (152)

=1

2Θ[ϑ2 + ϕ2 sin2 ϑ

]. (153)

A Lagrange-függvény szokásos deriváltjaiból a szögváltozókhoz konjugált impulzusok

L = Ekin,→ pϑ =∂L∂ϑ

= Θϑ, pϕ =∂L∂ϕ

= Θ sin2 ϑϕ, (154)

és a Hamilton-függvény pedig

H = Ekin =1

(p2ϑ +

p2ϕ

sin2 ϑ

). (155)

Adott E energia alatti állapotok száma az impulzus altérben egy ellipszis területének számításával illetve a koordinátákban egygömb felületének számításával kapható meg

Ω0(E) =1

h2

∫H<E

dϑdϕdpϑdpϕ, (156)

=1

h2π√

2EΘ√

2EΘ

∫ 2π

0

∫ π

0

sinϑdϑdϕ︸ ︷︷ ︸"térszög"=4π

, (157)

Ω0(E) =2ΘE

~2. (158)

15

Page 16: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

6.2. Kvantumos

A kvantumos leíráshoz egy forgó test Hamilton-operátorából indulunk ki:

H =

(~r × ~p

)·(~r × ~p

)2Θ

=~L2

2Θ. (159)

8. ábra. A klasszikus és kvantumos ro-tátor állapotainak száma

Ennek az operátornak a spektruma

El =~2l(l + 1)

2Θ. (160)

Egy adott E energia és az alatta lév® legnagyobb impulzus momentum érték lmax kap-csolata tehát

lmax(lmax + 1) = Int

[2ΘE

~2

]. (161)

Mivel minden l állapot (2l + 1)-szeresen degenerált ezért az adott E energia alatti álla-potok összege el®áll páratlan számok összegeként:

Ω0(E) =

lmax∑l=0

(2l + 1) = (lmax + 1)2. (162)

A klasszikus kifejezést visszakapjuk ha lmax 1→ lmax(lmax + 1) ≈ (lmax + 1)2, ekkor

Ω0(E) ≈ 2ΘE

~2. (163)

7. Harmonikus oszcillátor

A harmonikus oszcillátor (és a hidrogén atom ...) sok szempontból az elméleti számítások állatorvosi lova. Határozzuk meg azállapotok számát ebben az egyszer¶ rendszerben is.

7.1. Klasszikus

A Hamilton-függvény alakjából

H =p2

2m+

1

2mω2q2, (164)

9. ábra. Az oszcillátor fázistere

jól látszik, hogy egy adott E energia egy ellipszist határoz meg, azaz az állapotok száma

Ω0(E) =1

h

∫H<E

dpdq =1

h

√2mE

√2E

mω2π, (165)

Ω0(E) =E

~ω. (166)

7.2. Kvantumos

A kvantumos állapotszámoláshoz induljunk ki a harmonikus oszcillátor spektrumából:

En = ~ω(n+

1

2

), n = 0, 1, 2 . . . (167)

Azaz egy adott E energia alatt az n index maximális értéke

nmax = Int

[E

~ω− 1

2

], (168)

amib®l

Ω0 (E) = Int[E~ω −

12

]+1 = Int

[E

~ω+

1

2

]. (169)

Itt is látjuk, hogy nagy energiákra vagy a ~→ 0 határesetben a klasszikus és a kvantumos állapotszám megegyezik.

16

Page 17: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

7.3. Egy érdekes feladat

10. ábra. Az oszcillátor spektruma

Mikrokanonikus sokaságot feltételezve lássuk be, hogy annak a valószín¶sége, hogy egyklasszikus harmonikus oszcillátor helyzete x és x + δx között van, P (x, x + δx), meg-egyezik az oszcillátor ezen intervallumban eltöltött ideje, t(x, x+ δx), és a periódus id®,Tper = 2π

ω , hányadosával:

P (x, x+ δx) =t(x, x+ δx)

Tper(170)

A kérdéses tartományban töltött id® a tartomány hosszával egyenesen a tartományontörtén® áthaladás sebességével viszont fordítottan arányos. Az arányossági tényez® 2hiszen odafele és visszafele is id®zünk x közelében!

t(x, x+ δx) = 2δx

v(x). (171)

A vizsgált P (x, x+ δx) valószín¶ség a megfelel® fázistér térfogatok arányával kifejezve:

P (x, x+ δx) =2dp(x)δx/h

Ω (E, δE)=

2dp(x)dE δEδx/h

Ω (E, δE)(172)

Felhasználva Ω denícióját (124) és a harmonikus oszcillátor állapotainak számát (166) kapjuk, hogy

Ω (E, δE) =dΩ0

dEδE =

hωδE. (173)

Felhasználva a harmonikus oszcillátor energiáját

E =p2

2m+

1

2mω2x2 =

mv2

2+

1

2mω2x2, (174)

adp/dE derivált (talán nem túl meglep® módon)1dpdE

=dE

dp=

p

m= v. (175)

A fentieket visszahelyettesítve (172)-be kapjuk, hogy

P (x, x+ δx) =2 1v δEδx/h

2πhω δE

= 2δxv

2πω

=t(x, x+ δx)

Tper. (176)

q.e.d (nem kvantum elektrodinamika...)5. Gyakorlat. Határozzuk meg a klasszikus állapotok Ω0 számát adott E energia alatt a következ® rendszerekre!

1. Pattogó labda

H =p2

2m+ gx, x ≥ 0 (177)

2. Relativisztikus oszcillátor

H = c |p|+ 1

2αω2x2, (178)

3. Relativisztikus pattogó labdaH = c |p|+ gx, x ≥ 0 (179)

17

Page 18: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

III. rész

Termodinamikai mennyiségek mikrokanonikus sokaságbólEbben a fejezetben a mikrokanonikus formalizmus segítségével néhány alapvet® modell rendszer termodinamikai mennyiségeinekszármaztatását fogjuk vizsgálni.

Entrópia:Ha a rendszer energiája E és E és E + δE között az állapotok száma Ω akkor a rendszer entrópiája:

S = kB ln Ω(E, δE) (180)

Termodinamikai határesetben használható feltevés:

S = kB ln Ω(E, δE) = kB lnω(E)δE = kB ln Ω0(E) (181)

Fundamentális egyenlet:

dE = TdS − pdV + µdN (182)

H®mérséklet:

1

T=

∂S

∂E

∣∣∣∣V,N

(183)

Nyomás:p

T=

∂S

∂V

∣∣∣∣E,N

(184)

Kémiai potenciál:µ

T= − ∂S

∂N

∣∣∣∣E,V

(185)

H®kapacitás:

C =∂E

∂T

∣∣∣∣V

(186)

8. N darab két állapotú rendszer

11. ábra. N darab két állapotú rend-szer

Vizsgáljunk egy olyan N részecskéb®l álló rendszert amelyben egy adott részecske ener-giája vagy ε vagy −ε. Gondolhatunk itt például egy klasszikus két állapotú spin rend-szerre, vagy valamilyen adattárolóban klasszikus bitekre! Jelölje N+az ε energiájú ré-szecskék számát illetve N− a −ε energiájú részecskék számát. Természetesen

N = N+ +N−. (187)

A rendszer teljes E energiája értelemszer¶en

E = (N+ −N−) ε = Mε, M = −N,−N + 2, . . . N (188)

Ahol bevezettük az M változót amire gondolhatunk úgy mint a rendszer mágnesezettsége.

N = N+ +N−, N+ =N +M

2(189)

M = N+ −N−, N− =N −M

2(190)

18

Page 19: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Hány olyan konguráció van amely energiája E = Mε? Másféleképpen hányféle módon tudunk kiválasztani N fels® szintb®lN+-at ?

Ω (E, δE) =

(NN+

)=

N !

N+! (N −N+)!=

N !

N+!N−!(191)

Az állapotok számának ismeretében az entrópia (181)-nak megfelel®en

S = kB ln Ω = kB (lnN !− lnN+!− lnN−!) . (192)

Termodinamikai határesetben N →∞, E/N = const. azaz M/N = const. Ebben a határesetben alkalmazhatjuk a (47) Stirling-formulát! Elhanyagolva a lnN -es járulékokat:

lnN ! ≈ N lnN −N (193)

S

kB= N lnN −N −N+ lnN+ +N+ −N− lnN− +N− (194)

= (N+ +N−) lnN −N+ lnN+ −N− lnN−

= −N+ lnN+

N−N− ln

N−N

= −N +M

2lnN +M

2N− N −M

2lnN −M

2N

S = −kBN

[1 +m

2ln

1 +m

2+

1−m2

ln1−m

2

], (195)

m =M

N=

E

εN

Ha m = 0 azaz azok az állapotok amelyekben ugyan annyi a+ε energiájú állapot mint a −ε energiájú állapot akkor

S = kBN ln 2 = kB ln 2N (196)

ami várható hiszen ekkor Ω = 2n. Érdemes megjegyezni, hogy az entrópia energia szerinti deriváltja csak negatív energiákrapozitív mennyiség! Pozitív energiákra viszont negatív azaz ezen a tartományon a h®mérséklet negatív! Ez a rendszer teháttermodinamikai értelemben nem normál rendszer! Hasonló viselkedést mutat minden olyan rendszer melynek lehetséges energiáikorlátos tartományra szorítkoznak.

12. ábra. N darab két állapotú rend-szer entrópiája és h®mérséklete

Az entrópia ismeretében a h®mérséklet

1

T=

∂S

∂E

∣∣∣∣V,N

=∂S

∂m

∂m

∂E=

1

εN

∂S

∂m. (197)

Felhasználva, hogy

∂x(1 + px) ln(1 + px) = p [ln(1 + px) + 1] , (198)

1

T=

1

εN

∂S

∂m(199)

= −kB

ε

∂m

[1 +m

2ln

1 +m

2+

1−m2

ln1−m

2

](200)

= −kB

∂m[(1 +m) ln (1 +m) + (1−m) ln (1−m)− 2 ln 2] (201)

= −kB

2ε[ln (1 +m) + 1− ln (1−m)− 1] (202)

kapjuk, hogy

1

T=

kB

2εln

1−m1 +m

. (203)

19

Page 20: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

A h®mérséklet, ahogy azt várjuk, intenzív mennyiség hiszen E/N függvénye. Érdemesmegjegyezni, hogy az entrópia deriváltja m = ±1 esetén tart ∓∞-hez. Ennek meg-felel®en a h®mérséklet mind két esetben zérushoz tart. Exponencializálva a fenti 203kifejezést

e2x =1−m1 +m

, x =ε

kBT. (204)

Kifejezve m-et

m =1− e2x

1 + e2x=

e−x − ex

e−x + ex= − tanh (x) , (205)

a h®mérséklet és a rendszer energiája között az alábbi kapcsolatot állapíthatjuk meg:

E = −εN tanh

kBT

). (206)

Hasonlóan a pozitív illetve negatív energiájú részecskék száma:

N+ =N +M

2= N

e−ε

kBT

e−ε

kBT + eε

kBT, (207)

N− =N −M

2= N

kBT

e−ε

kBT + eε

kBT. (208)

A h®kapacitás a (186) szerint

C =∂E

∂T

∣∣∣∣V

=∂E

∂x

∂x

∂T= − ε

kBT 2

∂E

∂x(209)

=ε2N

kBT 2

∂ tanh (x)

∂x= kBN

x2

cosh2 x, (210)

= kBN

kBT

)2

cosh2(

εkBT

) . (211)

A h®kapacitás alacsony illetve magas h®mérséklet¶ viselkedésére a cosh függvény tulajdonságaiból következtethetünk. Alacsonyh®mérsékleten, azaz x→∞

coshx =ex + e−x

2=

x→∞

ex

2, (212)

míg magas h®mérsékleten azaz x→ 0limx→0

coshx = 1. (213)

Ezen összefüggések segítségével:

T → 0, x→∞, C → kBN

(2ε

kBT

)2

e−2εkBT , (214)

T → ∞, x→ 0, C → Nε2

kBT 2. (215)

Amint azt az ábra is mutatja a fajh® h®mérséklet függése maximális egy adott h®mérséklet értéknél. Határozzuk meg ezt aH®mérséklet értéket!

∂xC ∝ ∂x(

x2

cosh2 x

)=

2x

cosh2 x− x22 sinhx

cosh3 x=

2x (1− x tanhx)

cosh2 x(216)

A derivált két helyen válik zérussá x = 0-ban illetve x = xmax-nál ahol

1− xmax tanhxmax = 0. (217)

Az egyenletet numerikusan megoldva xmax ≈ 1.199, x−1max ≈ 0.8335.

20

Page 21: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

13. ábra. N darab két állapotú rend-szer h®kapacitása

Vizsgáljuk meg most a rendszerb®l kiszemelt egy alrendszer statisztikáját. Mi avalószín¶sége, hogy az 1. rendszer a +ε állapotban van, ha a rendszer adott E = εMenergián van?

P+1 =

(N − 1)!

(N+ − 1)!N−!

N+!N−!

N !=N+

N=

e−ε

kBT

e−ε

kBT + eε

kBT. (218)

Hasonló megfontolások alapján annak a valószín¶sége, hogy az 1. rendszer a −ε álla-potban van:

P−1 =e

εkBT

e−ε

kBT + eε

kBT. (219)

A két valószín¶ség hányadosa

P+1

P−1= e−

2εkBT . (220)

Amint kés®bb látni fogjuk, a kanonikus sokaság terminológiáit használva pontosan ugyan ezek a valószín¶ségi súlyok fogjákjellemezni a rendszert.

9. N darab harmonikus oszcillátor

A második példában vizsgáljunk meg N darab harmonikus oszcillátort. A rendszer Hamilton-operátora:

H =

N∑i=1

p2i

2m+

1

2mω2x2

i (221)

14. ábra. N oszcillátor rendszer

A rendszer teljes energiája a részrendszerek energiájának összege, azaz

E =

N∑i=1

~ω(ni +

1

2

)=

1

2~ωN + ~ω

N∑i=1

ni︸ ︷︷ ︸M

(222)

Itt ismét érdemes bevezetni egy M paramétert:

E = ~ω(

1

2N +M

), M ⇔ E, (223)

most azonban azM az összes gerjesztések száma. Figyeljük meg, hogy az el®z® példávalellentétben az energia (adott N esetén) nem korlátos felülr®l hiszen az egyes ni tetsz®-leges nem negatív egész értéket felvehetnek. Az állapotok számának meghatározásáhozvegyük észre, hogy az állapotok száma adott M esetén megegyezik N − 1 darab feketeés M darab fehér golyó lehetséges permutációinak számával:

Ω(E, δE) =(M +N − 1)!

M ! (N − 1)!(224)

Alkalmazva a (47) Stirling-formulát termodinamikai határesetben (mindegy hogy Nvagy N − 1 oszcillátort vizsgálunk) kapjuk, hogy az entrópia

S

kB= ln Ω(E, δE) (225)

≈ (M +N) ln (M +N)− (M +N)−M lnM +M −N lnN −N (226)

= (M +N) ln (M +N)−M lnM −N lnN. (227)

21

Page 22: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

15. ábra. N osz-cillátor energiája ésh®kapacitása

A h®mérsékletet (183)-nek megfelel®en számítva kapjuk, hogy

1

T=

∂S

∂E

∣∣∣∣V,N

=∂S

∂M

∣∣∣∣V,N

∂M

∂E

∣∣∣∣V,N︸ ︷︷ ︸

1/~ω

=kB

~ω[ln (M +N) + 1− lnM − 1] =

kB

~ωlnM +N

M(228)

=kB

~ωln

E~ω + N

2E~ω −

N2

=kB

~ωlnα+ 1

2

α− 12

, α =E

~ωN. (229)

A h®mérséklet tehát E/N függvénye azaz, talán nem túl meglep® módon, intenzív mennyiség! Exponenci-alizálva ezt a kifejezést kapjuk, hogy

α+ 12

α− 12

= e~ωkBT = ex, x =

~ωkBT

. (230)

Amelyb®l némi algebra után az energia a h®mérséklet függésére kapjuk, hogy

α =

(1

2+

1

ex − 1

)(231)

E = N~ω

(1

2+

1

e~ωkBT − 1

). (232)

Az energia alacsony h®mérsékleten jó közelítéssel

E ≈ N ~ω2. (233)

Magas h®mérsékleten, azaz x→ 0 esetén a következ® közelítés alkalmazható:

E

N~ω=

1

2+

(1

ex − 1

)≈ 1

2+

(1

1 + x+ x2

2 − 1

)=

1

2+

1

x

(1

1 + x2

)≈ 1

2+

1

x

(1− x

2

)=

1

x, (234)

tehát kBT ~ω eseténE ≈ NkBT. (235)

A h®kapacitás ezek után

C =∂E

∂T

∣∣∣∣V

=∂E

∂x

∂x

∂T= − ~ω

kBT 2

∂E

∂x(236)

= −NkB

(~ωkBT

)2∂

∂x

(1

2+

1

ex − 1

)= −NkBx

2

(−1

(ex − 1)2 ex

)

= NkB

(x/2

sinh (x/2)

)2

C = NkB

~ω2kBT

sinh(

~ω2kBT

)2

(237)

10. Ideális gáz

Vizsgáljunk meg most az ideális gáz esetét. A Hamilton-függvény a szokásos

H =

3N∑i=1

p2i

2m(238)

22

Page 23: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

alakot ölti. Adott E energia alatt az állapotok Ω0 számát a Gibbs-paradoxon gyelembevételével (N ! a nevez®ben) az alábbiakszerint fejezhetjük ki

Ω0 =

∫H(p,q)<E

d3Npd3Nq

h3NN !=

V N

h3NN !

∫∑3Ni=1

p2i

2m<E

d3Np. (239)

Az impulzus térbeli integrál a (57) segítségével kiértékelhet® mint egy√

2mE sugarú 3N dimenziós gömb térfogata:

Ω0 =V N

h3NN !

π3N/2(3N2

)!

(√2mE

)3N

=1

N !

1(3N2

)!

(2πmEV

23

h2

) 32N

. (240)

Az entrópia meghatározásához Ω helyett (181) szerint termodinamikai határesetben Ω0-t is használhatjuk.

S/kB = ln Ω0 (241)

=3

2N ln

(2πmEV

23

h2

)− lnN !− ln

(3N

2

)!

Stirling-formula szerint ≈ 3

2N ln

(2πmEV

23

h2

)−N lnN +N −

(3N

2

)ln

(3N

2

)+

(3N

2

)

=3

2N ln

(2πmEV

23

h2

)− 3

2N lnN

23 +N −

(3N

2

)ln

(3N

2

)+

(3N

2

)

=5

2N +

3

2N ln

(2πmEV

23

h2

1

N23

2

3N

)

=5

2N +

3

2N ln

(4πm

3h2

(V

N

) 23 E

N

)

= N

[3

2ln

2

3

E

N+ ln

V

N+ ln

((2πm)

3/2

h3e5/2

)](242)

Kiindulva a h®mérsékletet (183) és a nyomást (184) deniáló összefüggésekb®l megkapjuk az ekvipartició-tételb®l ismert energiakifejezést

1

T=

∂S

∂E

∣∣∣∣V,N

=3

2NkB

1

E,⇒ E =

3

2NkBT, (243)

és az ideális gáz állapotegyenletétp

T=

∂S

∂V

∣∣∣∣E,N

=NkB

V,⇒ pV = NkBT. (244)

A kémiai potenciál (185) alapján

µ = −T ∂S

∂N

∣∣∣∣E,V

= −kBT

[3

2ln

2

3

E

N+ ln

V

N+ ln

((2πm)

3/2

h3e5/2

)− 3

2− 1

], (245)

= −kBT

[3

2ln

2

3

E

N+ ln

V

N+ ln

((2πm)

3/2

h3

)], (246)

= −kBT

[lnV

N+

3

2ln

(2πmkBT

h2

)]. (247)

Ahogy vártuk a kémiai potenciál is intenzív mennyiség.6. Gyakorlat. Határozzuk meg a h®mérséklet a nyomás és a kémiai potenciálra vonatkozó összefüggéseket aklasszikus relativisztikus foton gáz esetére! Azaz ha egy részecskére vonatkozó Hamilton-függvény

H = c |p| . (248)

23

Page 24: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

IV. rész

Állapotösszegek kanonikus sokaságban

Állapotösszeg:

Klasszikus rendszer: Z =1

hN

∫(dpdq)N e−βH(p,q) (249)

=

∫ ∞0

ω (E) e−βEdE (250)

Kvantumos rendszer: Z =∑n

e−βEn (251)

β =1

kBT(252)

Az n-edik állapot betöltésének valószín¶sége:

Pn =e−βEn

Z(253)

Szabadenergia:F = −kBT lnZ (254)

F (T, V,N) = E − TS (255)

dF = −SdT − pdV + µdN (256)

Energia (átlagos):

E = − ∂

∂βlnZ = − 1

Z

∂Z

∂β=

∫∞0ω (E)Ee−βEdE∫∞

0ω (E) e−βEdE

(257)

Nyomás:

p = − ∂F

∂V

∣∣∣∣T,N

(258)

Entrópia:

S = − ∂F

∂T

∣∣∣∣V,N

(259)

11. Mikrokanonikus vs. Kanonikus formalizmus, két egyszer¶ példa

11.1. Fajh®

Legyen egy rendszer állapots¶r¶sége az energia hatványfüggvénye, azaz

ω (E) = A (N)EαN . (260)

Számítsuk ki mikrokanonikus és kanonikus formalizmusban a fajh®t!

Mikrokanonikus

Kiindulva az entrópia számítására vonatkozó (181) praktikus összefüggésb®l kapjuk, hogy

S = kB lnω (E) δE = kB lnA (N)EαNδE = kBαN lnE + kB lnA (N) δE. (261)

24

Page 25: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

A h®mérséklet (183) alapján1

T=

∂S

∂E

∣∣∣∣V,N

=kBαN

E. (262)

Az energia illetve a fajh® pedig

E = kBαNT,→ C =∂E

∂T= kBαN. (263)

Kanonikus

Az állapotösszeget (249) alapján

Z =

∫ ∞0

ω (E) e−βEdE =

∫ ∞0

A (N)EαNe−βEdE, (264)

egy változó csere végrehajtásával

u = βE, dE =duβ, (265)

kapjuk, hogy

Z =

∫ ∞0

A (N)

(u

β

)αNe−u

duβ

= A (N)β−(αN+1)

∫ ∞0

uαNe−udu︸ ︷︷ ︸Γ(αN+1)

, (266)

= A (N)β−(αN+1)Γ (αN + 1) . (267)

Véve ezen kifejezés logaritmusátlnZ = −(αN + 1) lnβ + lnA (N) Γ (αN + 1) , (268)

az energia

E = − ∂

∂βlnZ =

(αN + 1)

β= kBT (αN + 1), (269)

és a fajh®

C =∂E

∂T= kB(αN + 1). (270)

Jól látszik tehát, hogy N 1 esetén a két formalizmus ugyanazt adja.

11.2. Nyomás

Legyen egy rendszer állapots¶r¶sége az energia és a térfogat hatványfüggvénye, azaz

ω (E) = A

(αV

N

)N (E

N

)fN. (271)

Számítsuk ki mikrokanonikus és kanonikus formalizmusban a nyomást!

Mikrokanonikus

Az el®z® feladathoz hasonlóan az entrópia (181) alapján

S = kB lnω (E) δE = kBN lnV + kB lnA( αN

)N (EN

)fNδE. (272)

A nyomás pedig (184) alapjánp

T=

∂S

∂V

∣∣∣∣E,N

=kBN

V,→ p =

kBNT

V(273)

25

Page 26: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Kanonikus

Az állapotösszeg ismételten (249) szerint

Z =

∫ ∞0

ω (E) e−βEdE =

∫ ∞0

A

(αV

N

)N (E

N

)fNe−βEdE (274)

= V N × (...kutty-kurutty...) (275)

Melyb®l a szabadenergia az (254) összefüggésb®l

F = −kBT lnZ = −kBTN lnV + . . . (276)

és a nyomás a (258) kifejezésb®l

p = − ∂F

∂V

∣∣∣∣T,N

=kBTN

V(277)

adódik.

12. Rotátor

12.1. Klasszikus

Induljunk ki a (155) Hamilton-függvényb®l

H =1

(p2ϑ +

p2ϕ

sin2 ϑ

). (278)

Az állapotösszeg klasszikus rendszerekre vonatkozó (249) alakját felhasználva kapjuk, hogy

Z =1

h2

∫ 2π

0

dϕ∫ π

0

dϑ∫ ∞−∞

dpϑ

∫ ∞−∞

dpϕe− β

(p2ϑ+

p2ϕ

sin2 ϑ

)︸ ︷︷ ︸

2 db Gauss integrál!!

, (279)

=1

h2

∫ 2π

0

dϕ∫ π

0

dϑ sinϑ︸ ︷︷ ︸Térszög! 4π

√2Θπ

β

√2Θπ

β,

=2Θ

~2β.

Azaz

lnZ = ln2Θ

~2− lnβ, (280)

Melyb®l az energia a szokásos (257) módon

E = − ∂

∂βlnZ =

∂βlnβ =

1

β= kBT. (281)

12.2. Kvantumos

A rotátor nívói (160) alapján adottak:

El =~2

2Θl(l + 1). (282)

Az állapotösszeg az egyes nívók ismert (2l + 1)-szeres degenerációját gyelembe véve

Z =

∞∑l=0

(2l + 1)︸ ︷︷ ︸degeneráció miatt

e−β~2

2Θ l(l+1). (283)

26

Page 27: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Alacsony h®mérsékleten β →∞ a legels® nem triviális járulékot akkor kapjuk ha a két legalsó energiaszintet gyelembe vesszük:

Z ≈T→0

1 + 3e−β~2

2Θ 2 (284)

Felhasználva az ln függvény közelítését az 1körül

ln (1 + x) ≈x1

x (285)

kapjuk egyszer¶en, hogy

lnZ ≈ 3e−β~2

Θ . (286)

Az energia és a fajh® (257) illetve (186) alapján

E = − ∂

∂βlnZ =

3~2

Θe−β

~2

Θ , (287)

C =∂E

∂T= 3

(~2

Θ

)21

kBT 2e− ~2

kBTΘ . (288)

Magas h®mérsékleten egy durva becslés, hogy csak azon tagokat vesszük melyeknek súlya legalább 1/e és ezeket úgy vesszükgyelembe, hogy mindegyiknek ugyanazt a súlyt adjuk! A feltevés matematikailag a legnagyobb l-re az alábbi becslést adja

β~2

2Θl2max = 1 (289)

Ezt felhasználva kapjuk, hogy

Z =

lmax∑l=0

(2l + 1) = (lmax + 1)2 ≈ l2max =

~2β. (290)

13. N darab két állapotú rendszer némi degenerációval

Sok rendszerben (ahogy láttuk a rotátornál is) sokszor alacsony h®mérsékleten jó közelítéssel csak az els® gerjesztett állapotigtudjuk gerjeszteni a rendszert:

E0 = −ε, E1 = 0. (291)

Az E1nívó g-szeresen degenerált tehát az állapotösszeg

Z =(g + eβε

)N, (292)

melyb®l a szabadenergia és az energiaF = −kBT lnZ = −kBTN ln

(g + eβε

), (293)

E = − ∂

∂βlnZ = −N ∂

∂βln(g + eβε

)= −Nε eβε

(g + eβε), (294)

Alacsony h®mérsékleten kapjuk egyszer¶en, hogy

T → 0, β →∞, E = −Nε, (295)

illetve magas h®mérsékleten

T →∞, β → 0, E = −Nε 1

(g + 1). (296)

Az entrópiát (255) alapján

S =E − FT

= kBN ln(g + eβε

)− Nε

T

eβε

(g + eβε). (297)

27

Page 28: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Magas h®mérsékleten csak az els® tag játszik szerepet,

T →∞, β → 0, S = kBN ln (g + 1) , (298)

azaz minden állapot demokratikusan van betöltve. Alacsony h®mérsékleten pedig

T → 0, β →∞

S ≈ kBN ln eβε(ge−βε + 1

)− Nε

T

(1− ge−βε

), (299)

= kBN(βε+ ge−βε

)− Nε

T

(1− ge−βε

),

= ge− εkBT

(kBN +

T

).

7. Gyakorlat. Határozzuk meg az el®z® feladatban kiszámított entrópiát mikrokanonikus formalizmusban is!

Számítsuk ki a C fajh®t T = 0 környezetében F -en illetve E-n keresztül! Célszer¶ el®ször egy közelít® kifejezést keresnilnZ-re:

lnZ = N ln eβε(1 + ge−βε

)≈ Nge−βε +Nβε. (300)

Ebb®l a szabadenergia

F = −kBT lnZ = −kBT(Nge−βε +Nβε

), (301)

= −(kBTNge

− εkBT +Nε

).

Felhasználva (259)-t visszakapjuk az el®z® (299) kifejezést

S = −∂F∂T

= kBNge− εkBT + kBTNg

ε

kBT 2e− εkBT , (302)

= kBNge− εkBT +Ng

ε

Te− εkBT = ge

− εkBT

(kBN +

T

).

A fajh® a láncszabály használatával

C =∂E

∂T=∂E

∂S︸︷︷︸T

∂S

∂T= T

[ge− εkBT

ε

kBT 2

(kBN +

T

)− ge

− εkBT

T 2

], (303)

= ge− εkBT

kBT

(kBN +

T

)− Nε

T

)= ge

− εkBT

((εN

T+N

ε2

kBT 2

)− Nε

T

), (304)

= NgkB

kBT

)2

e− ε

kBT . (305)

Ha az energiából indulunk ki akkor némileg rövidebb úton célba érünk

E = − ∂

∂βlnZ = Ngεe−βε −Nε = Nε

(ge−βε − 1

)= Nε

(ge− εkBT − 1

), (306)

C =∂E

∂T= Nεge

− εkBT

(− ε

kB

)(− 1

T 2

)= NgkB

kBT

)2

e− ε

kBT . (307)

8. Gyakorlat. Egy rendszer fajh®je C = fkB határozzuk meg a rendszer állapots¶r¶ségét!

28

Page 29: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

V. rész

Fizikai mennyiségek eloszlásai

Várható értékek:

Klasszikus rendszer: 〈A〉 =1

ZhN

∫(dpdq)N A(p, q)e−βH(p,q) (308)

Kvantumos rendszer: 〈A〉 =1

Z

∑n

⟨n∣∣∣A∣∣∣n⟩ e−βEn (309)

Deriváltak várható értéke (Hellmann-Feynman tétel):⟨∂

∂λH(λ)

⟩=

∂λF (λ) (310)

Ekvipartició tételHa

H = λ1x21 + g(x2, x3, . . . ), (311)

akkor ⟨λ1x

21

⟩=

1

2kBT, (312)

általánosabban ⟨xi∂H

∂xj

⟩= kBTδij (313)

14. Kétállapotú rendszerek energia eloszlásai

Z1 = eβε + e−βε = 2 coshβε (314)

Z = ZN1 = (2 coshβε)N,→ lnZ = N ln 2 coshβε (315)

N+ =N +M

2=N

2+E

2ε(316)

E = ε (2N+ −N) (317)

〈E〉 = −∂β lnZ = −Nε 2 sinhβε

2 coshβε= −Nε tanhβε (318)

〈N+〉 =N

2[1− tanhβε] (319)

Mi a valószín¶sége, hogy n darab részecske a +ε energiájú állapotban van.

P (N+ = n) =

(Nn

)e−βE(n)

Z=

(Nn

)e−βε(2n−N)

Z(320)

A legvalószín¶bb állapotban∂n lnP = 0 (321)

Termodinamikai határesetben kihasználva a (47) Stirling-formulát

lnN !

n! (N − n)!e−βE(n) ≈ −βε (2n−N) +N lnN − n lnn− (N − n) ln (N − n) (322)

29

Page 30: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

∂n lnP = −2βε− lnn− 1 + ln (N − n) + 1 (323)

= −2βε+ lnN − nn

(324)

kapjuk tehát, hogy a legvalószín¶bb állapotban a pozitív energiás részecskék száma

n = N1

e2βε + 1. (325)

Vizsgáljuk meg ennek az eloszlásnak a szórását, azaz határozzuk meg a következ® mennyiséget⟨N2

+

⟩− 〈N+〉2 =? (326)

Ez a mennyiség (317) alapján az energia és az energia négyzet várhatóértékkel fejezhet® ki. Az energia várhatóértékének négyzete

〈E〉 = 2ε 〈N+〉 −Nε,〈E〉2 = 4ε2 〈N+〉2 +N2ε2 − 4ε2 〈N+〉N, (327)

illetve az energia négyzetének várható értéke⟨E2⟩

=⟨

(2εN+ −Nε)2⟩, (328)

=⟨4ε2N2

+ +N2ε2 − 4ε2NN+

⟩,

= 4ε2⟨N2

+

⟩+N2ε2 − 4ε2 〈N+〉N,

amib®l ⟨E2⟩− 〈E〉2

4ε2=⟨N2

+

⟩− 〈N+〉2 . (329)

Az energia tetsz®leges hatványának várhatóértékét könny¶ szerrel meghatározhatjuk az állapotösszeg β szerinti derviáljaiból,hiszen

∂pβZ =∑j

(−Ej)p eβEj (330)

tehát

〈Ep〉 =(−1)

p

Z∂pβZ. (331)

A számunkra érdekes szórás ⟨E2⟩− 〈E〉2 =

1

Z∂2βZ − (∂β lnZ)

2. (332)

Felhasználva az állapotösszeg (315) kifejezését a konkrét problémánkra a releváns deriváltak:

∂β (2 coshβε)N

= 2Nε (2 coshβε)N−1

sinhβε (333)

∂2β (2 coshβε)

N= 2Nε

[2ε (N − 1) (2 coshβε)

N−2sinh2 βε+ 2N−1ε (coshβε)

N]

(334)

= ε2N(N − 1)2N sinh2 βε coshN−2 βε+N2Nε2 (coshβε)N

Az energia négyzet várható értéke tehát ⟨E2⟩

= ε2N(N − 1) tanh2 βε+Nε2. (335)

Az energia szórása ⟨E2⟩− 〈E〉2 = ε2N(N − 1) tanh2 βε+Nε2 −N2ε2 tanh2 βε (336)

= ε2N(1− tanh2 βε

)=

ε2N

cosh2 βε.

A betöltési számok keresett szórása tehát ⟨N2

+

⟩− 〈N+〉2 =

N

4 cosh2 βε. (337)

30

Page 31: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

15. Rotátor elektromos térben

H = Ekin + Epot =1

[p2ϑ +

p2ϕ

sin2 ϑ

]− ~E · ~d (338)

=1

[p2ϑ +

p2ϕ

sin2 ϑ

]− Ed cosϑ

Állapotösszeg

Z =1

h2

∫ 2π

0

dϕ∫ π

0

dϑ∫ ∞−∞

dpϑ

∫ ∞−∞

dpϕe− β

(p2ϑ+

p2ϕ

sin2 ϑ

)eβEd cosϑ, (339)

=1

h2

∫ 2π

0

dϕ∫ π

0

dϑeβEd cosϑ

√2Θπ

β

√2Θπ

βsinϑ

=1

h2

2πΘ2π

β

∫ π

0

dϑeβEd cosϑ sinϑ,

(változócsere:x = cosϑ,

dx

dϑ= − sinϑ

)=

Θ

~2β

∫ 1

−1

dxeβEdx =Θ

~2β

eβEd − e−βEd

βEd=

2Θ sinhβEd~2β2dE

Egy A(ϑ, ϕ) mennyiség várható értéke (308)-nek megfelel®en∫dϕdϑA(ϑ, ϕ)

∫dpϑdpϕh2

e−βH

Z=

∫dϕdϑA(ϑ, ϕ)P (ϑ, ϕ) (340)

Ahol bevezettük a P (ϑ, ϕ) valószín¶ségi s¶r¶séget.

P (ϑ, ϕ) =1

h2Z

∫ ∞−∞

dpϑdpϕe−βH (341)

=eβEd cosϑ

h2Z

∫ ∞−∞

dpϑdpϕe− β

(p2ϑ+

p2ϕ

sin2 ϑ

)

=eβEd cosϑ

h2Z

2Θπ

βsinϑ

=eβEd cosϑ 2Θπ

β sinϑ

h2 2Θ sinh βEd~2β2dE

=1

βdEsinhβEd

eβEd cosϑ sinϑ

Vegyük észre, hogy E = 0 esetén illetve magas h®mérsékleten amikor β = 0

P (ϑ, ϕ)dϕdϑ =sinϑdϕdϑ

4π=

4π(342)

azaz, ahogy várjuk, ha a rendszerben nincs kitüntetett irány, vagy a termikus uktuációk mindent kiátlagolnak akkor a szögszerinti eloszlás egyenletes!

Ha a rendszer tulajdonságai függetlenek ϕ-t®l akkor érdemes bevezetni a

P (ϑ) =

∫ 2π

0

P (ϑ, ϕ)dϕ =1

2

βdEsinhβEd

eβEd cosϑ sinϑ (343)

átlagolt eloszlásfüggvényt.Határozzuk meg az energia várható értékét!

E = −∂β lnZ = −∂β[ln

~2dE+ ln (sinhβEd)− 2 lnβ

](344)

=2

β− EdcoshβEd

sinhβEd=

1

β− Ed

[cothβEd− 1

βEd

]= kBT − EdL (βEd)

31

Page 32: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

16. ábra. A Langevin-függvény

ahol bevezettük a Langevin-függvényt:

L (x) = cothx− 1

x(345)

Határozzuk meg a rendszer dipólmomentumának várható értékét. A meghatározan-dó várhatóérték

〈dE〉 = 〈d cosϑ〉 (346)

Induljunk ki a HellmannFeynman-tételb®l (310):

〈d cosϑ〉 = −〈∂EH〉 =1

β∂E lnZ (347)

=1

β∂E

[ln

~2β2d+ ln (sinhβEd)− ln E

]=

1

β

[βd

coshβEdsinhβEd

− 1

E

]= d

[coshβEdsinhβEd

− 1

βEd

]= dL (βEd) (348)

Vegyük észre, hogy ugyan erre a kifejezésre jutottunk volna ha a várható értékek egy-szer¶ denícióját használtuk volna:

〈d cosϑ〉 =

∫ π0

eβEd cosϑd cosϑ sinϑdϑ∫ π0

eβEd cosϑ sinϑdϑ= d

∫ 1

−1eβEdxxdx∫ 1

−1eβEdxdx

=1

β∂E lnZ. (349)

16. Független kvantumos mágneses momentum küls® mágneses térben

H = − ~M · ~B = −µB ~S · ~B = −µBSzB (350)

Sz sajátértékei : −j,−j + 1, . . . j ahol a j lehet egész vagy félegész szám. Az állapotösszeg

Z =

j∑m=−j

eβµBmB (351)

Vegyük észre, hogy ez egy mértani sorozat es® (2j + 1) tagjának összege

Z = e−βµBBjeβµBB(2j+1) − 1

eβµBB − 1, (352)

=eβµBB(j+1/2) − e−βµBB(j+1/2)

eβµBB/2 − e−βµBB/2,

=sinh (βµBB(j + 1/2))

sinh (βµBB/2)

Az állapotösszeg tehát βB mennyiség függvénye. Azaz a rendszerben jelenlev® két meghatározó energiaskála a termális energiaés a mágneses energia hányadosa a releváns paraméter. A rendszer energiája (257) szerint

E = −∂β lnZ = −∂β [ln sinh (βµBB(j + 1/2))− ln sinh (βµBB/2)] , (353)

= −[µBB(j + 1/2)

cosh (βµBB(j + 1/2))

sinh (βµBB(j + 1/2))− µBB/2

cosh (βµBB/2)

sinh (βµBB/2)

],

= µBB/2 coth (βµBB/2)− µBB(j + 1/2) coth (βµBB(j + 1/2)) .

A szabadenergiaF = −kBT lnZ, (354)

32

Page 33: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

melyb®l a HellmannFeynman-tétel (310) segítségével megkapjuk a mágnesezettséget

M = −∂BF =1

β∂B lnZ =

Z=f(βB)−EB, (355)

M = µB(j + 1/2) coth (βµBB(j + 1/2))− µB/2 coth (βµBB/2) (356)

= µBjBj(x), x = µBβBj.

17. ábra. A Brillouin-függvény külön-böz® j-kre illetve a Langevin-függvény

Ahol bevezettük a Bj(x) Brillouin-függvényt

Bj(x) =2j + 1

2jcoth

(2j + 1

2jx

)− 1

2jcoth

(x

2j

)(357)

Vizsgáljuk meg a fenn kapott eredmények viselkedését nagy mágneses tér illetvealacsony h®mérséklet mellett azaz ha a Brillouin-függvény argumentuma nagy, vagyis

x = µBβBj 1. (358)

A coth(x) függvény ezen a tartományon jó közelítéssel coth (x) ≈ 1. A mágnesezett-ség tehát

M ≈ µB[

2j + 1

2− 1

2

]= µBj. (359)

Azaz ahogy várjuk csak a legkisebb energiájú álapot ad járulékot.Az ellentétes határesetben azaz nagy h®mérséklet vagy kicsi mágneses tér esetén az

vagyis

x = µBβBj 1 (360)

18. ábra. A coth(x) függ-vény és közelítései.

Ekkor

coth (x) ≈ 1

x+x

3, (361)

a Brillouin-függvény pedig

Bj(x) ≈x→0

2j + 1

2j

(2j

(2j + 1)x+

1

3× 2j + 1

2jx

)− 1

2j

(2j

x+

1

3

x

2j

), (362)

=1

x+x

3

(2j + 1

2j

)2

− 1

x− x

3

1

(2j)2 , (363)

=x

3

4j2 + 4j

(2j)2 =

x

3

j + 1

j. (364)

A mágnesezettség tehát

M ≈ µ2B

j (j + 1)

3kBTB. (365)

Magas h®mérsékleten tehát a Curie-törvénynek megfelel® viselkedést kapunk

χ = ∂BM = µ2B

j (j + 1)

3kBT. (366)

Vizsgáljuk meg a nagy impulzusmomentum j 1 határesetet, ez a klasszikus határeset. Vegyük észre, hogy ekkor aBrillouin-függvény a Langevin-függvényre egyszer¶södik

Bj(x) ≈j1

coth (x)− 1

2jcoth

(x

2j

)≈ coth (x)− 1

x= L(x), (367)

33

Page 34: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

a mágnesezettség tehátM = µBjL(µBβBj). (368)

Érdemes összevetni ezt az eredményt a klasszikus rotátor vizsgálata során számolt dipól momentummal (348), ahol szinténhasonló viselkedést kaptunk.

Végül foglaljuk össze a kapott eredményeket feles spin azaz j = 1/2 esetére:

Z = 2 cosh

(βµBB

2

)(369)

E = −µBB2

tanh

(βµBB

2

)(370)

M =µB2

tanh

(βµBB

2

)(371)

17. 2D oszcillátor

H =p2x + p2

y

2m+

1

2mω2

(x2 + y2

)=~p · ~p2m

+1

2mω2~r · ~r (372)

Az állapotösszeg a klasszikus rendszerekre vonatkozó (249) kifejezésb®l

Z =1

h2

∫ ∞−∞

d~pd~re−β[p2

2m+ 12mω

2r2]

=1

h2

2πm

β

βmω2=

1

(~βω)2 . (373)

Mennyi a kitérés négyzet várható értéke ?

⟨r2⟩

=1

Zh2

∫ ∞−∞

r2d~pd~re−β[p2

2m+ 12mω

2r2]

(374)

Vegyük észre, hogy

∂ω2Z =1

h2

∫ ∞−∞

(−1

2βmr2

)d~pd~re

−β[p2

2m+ 12mω

2r2]

(375)

tehát

− 2

1

Z∂ω2Z = − 2

mβ∂ω2 lnZ =

⟨r2⟩

(376)

azaz ⟨r2⟩

=2

mβ∂ω2 ln (~βω)

2=

2

mβω2(377)

átrendezve1

2mω2

⟨r2⟩

= 〈Epot〉 = kBT (378)

az ekvipartició tétel szellemének megfelel®en.Hasonló eredményre jutunk ha a Hellmann-Feynman tételt (310) alkalmazzuk:

∂ω2H =1

2mr2 (379)

〈∂ω2H〉 =1

2m⟨r2⟩

= − 1

β∂ω2 lnZ (380)

18. Síkinga

A síkinga Lagrange függvénye,

L =1

2ml2ϕ2 +mgl cosϕ−mgl. (381)

34

Page 35: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

19. ábra. Síkinga

A ϕ-koordinátához konjugált kanonikus impulzus tehát

pϕ =∂L

∂ϕ= ml2ϕ. (382)

A Hamilton-függvény a következ® alakot ölti

H =p2ϕ

2ml2−mgl cosϕ+mgl. (383)

Az állapot összeg (249) alapján

Z =1

h

∫ π

−πdϕ

∫ ∞−∞

dpϕe−βp2ϕ

2ml2 eβmgl cosϕe−βmgl, (384)

=e−βmgl

h

√2πml2

β

∫ π

−πdϕeβmgl cosϕ,

=e−βmgl

~

√2πml2

βI0 (βmgl) .

A szög szerinti integrál egy módosított Bessel-függvény

I0 (x) =1

∫ π

−πdϕex cosϕ. (385)

Hasznos közelít® formulák

I0(x) ≈x1

1 +x2

2+O

(x4)

(386)

I0(x) ≈x1

ex√2πx

(1 +O

(x−1

))(387)

Vizsgáljuk meg a rendszer alacsony és magas h®mérséklet¶ viselkedését! Alacsony h®mérsékleten azaz ha mgl kBT a (387)közelítést alkalmazva

Z ≈ e−βmgl

~

√2πml2

β

eβmgl√2πβmgl

=1

√l

g. (388)

Az átlagenergia alacsony h®mérsékleten (257)-b®l

E = −∂β lnZ = −∂β ln1

β= kBT. (389)

Vegyük észre, hogy ez az eredmény összhangban van az ekvipartíció tétel kapcsán tanultakkal. Ebben a határesetben a rendszerúgy viselkedik mint egy harmonikus oszcillátor, a koordináta ϕ, és hozzárendelt kanonikus impulzus pϕ, ahogy várjuk, 1

2kBT -tad az energiához.

Magas h®mérsékleten mgl kBT alkalmazva a módosított Bessel-függvények kis argumentumaira vonatkozó (386) összefüg-gés els® járulékát (konstans 1) kapjuk, hogy

Z ≈ e−βmgl

~

√2πml2

β. (390)

Az energia szokás szerint:

E = −∂β lnZ = mgl +1

2kBT. (391)

Ebben a határesetben a koordináta szerinti energiajárulék tehát kiátlagolódik.

35

Page 36: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

19. Negyedfokú potenciál

Vizsgáljuk meg a negyedfokú potenciálba zárt klasszikus részecske átlagos energiáját az általánosított ekvipartició tétel (313)illetve a már megszokott (257) formula segítségével.

A Hamilton-függvény

H =p2

2m+

1

4αx4. (392)

Vegyük észre, hogy

p∂pH =p2

m, (393)

x∂xH = αx4. (394)

Alkalmazva (313)-t ⟨p2

m

⟩= kBT, (395)⟨

αx4⟩

= kBT, (396)

azaz

〈H〉 = kBT/2 + kBT/4 =3

4kBT. (397)

Kicsit több számolást igényel ha az állapotösszegen keresztül végezzük el a számolást:

Z =1

h

∫ ∞−∞

dpdxe−β[p2

2m+ 14αx

4], (398)

=1

h

√π2m

β

∫ ∞−∞

dxe−β14αx

4

, u = x4,du = 4x3dx,

=1

h

√π2m

β2

∫ ∞0

du

4u−3/4e−

βα4 u, s = βαu/4,

=1

h

√π2m

β

1

2

(4

βα

)1/4 ∫ ∞0

s−3/4e−sds︸ ︷︷ ︸Γ( 1

4 )

,

azaz

Z =1

h

√π2m

β

1

2

(4

βα

)1/4

Γ

(1

4

). (399)

Képezve ennek a kifejezésnek a logaritmusát

lnZ = −3

4lnβ + . . . (400)

azaz az energia

E = −∂β lnZ =3

4kBT. (401)

36

Page 37: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

20. Perturbációszámítás

Sokszor el®fordul, hogy valamilyen ismert rendszer tulajdonságait kívánjuk vizsgálni egy kis változtatás, vagy zavar jelenlétében.Ekkor a perturbáció számítás eszköztára nyújt számunkra jól használható közelít® kifejezéseket. Vizsgáljuk meg az alábbiakban,hogy általános esetben, kanonikus eloszlást feltételezve, milyen kapcsolatban van egy viszonyítási alapul szolgáló rendszer és egyt®le kicsi λV perturbációban különböz® rendszer állapotösszege és a szabadenergiája.

A klasszikus esetben a rendszer Hamilton-függvénye az eredeti H0 és a perturbáció λV összege:

H = H0 + λV. (402)

A teljes rendszer Z állapotösszege:

Z =

∫e−βHdΓ =

∫e−βH0e−βλV dΓ ≈

∫e−βH0 [1− βλV ] dΓ = Z0 (1− βλ 〈V 〉0) , (403)

ahol használtuk a mennyiségek átlagaira vonatkozó (308) klasszikus kifejezést.Kvantumos esetben a λV operátor hatására a perturbáció számítás els® rendjében az állapotok E0

n energiája az

En = E0n + λ 〈n| V |n〉 , (404)

szerint módosul. (Itt feltettük, hogy az esetleges degenerált alterekben egy megfelel® unitér transzformációt elvégezve a pertur-báció operátora diagonális. ) A pertubált rendszer állapotösszege tehát

Z =∑n

e−βEn =∑n

e−βE0ne−βλ〈n|V |n〉 ≈

∑n

e−βE0n

[1− βλ 〈n| V |n〉

]= Z0 (1− βλ 〈V 〉0) . (405)

Ahol az átlagok (309) kvantumos kifejezését használtuk. A szabadenergia tehát mind a két esetben

F = −kBT lnZ ≈ −kBT lnZ0 − kBT ln (1− βλ 〈V 〉0) . (406)

Kihasználva, hogyln(1− x) ≈

x1−x (407)

kapjuk a szabadenergia megváltozását els® rendben

F ≈ F0 + λ 〈V 〉0 . (408)

A deriváltakra vonatkozó (310) Hellmann-Feynman-tétel segítségével hasonló eredményre jutunk

∂λH = V → 〈∂λH〉 = 〈V 〉 = ∂λF, (409)

F = F |λ=0 +∂F

∂λ

∣∣∣∣λ=0

λ = F0 + λ 〈V 〉0 . (410)

Az energia várható értéke

E = −∂β lnZ = −∂β [lnZ0 (1− βλ 〈V 〉0)] ≈ −∂β [lnZ0 − βλ 〈V 〉0] , (411)

= E0 + ∂β [βλ 〈V 〉0] = E0 + λ 〈V 〉0 + βλ∂β 〈V 〉0 . (412)

A β szerinti derivált a perturbálatlan rendszer eloszlása szerinti átlagokkal kifejezhet®

∂β 〈V 〉0 = ∂β

∫V e−βH0dΓ∫e−βH0dΓ

=

(∫e−βH0dΓ

) (∫V [−H0] e−βH0dΓ

)−(∫V e−βH0dΓ

) (∫[−H0] e−βH0dΓ

)(∫e−βH0dΓ

)2 = 〈V 〉0 〈H0〉0 − 〈V H0〉0

(413)ahol a törtfüggvény deriváltjára vonatkozó ismert (

f

g

)′=f ′g − fg′

g2(414)

szabályt alkalmaztuk. Az energia várható értéke tehát a perturbáció számítás els® rendjében

37

Page 38: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

E = 〈H〉0 + βλ (〈V 〉0 〈H0〉0 − 〈V H0〉0) (415)

21. Anharmonikus oszcillátor

Az el®z® fejezetben tárgyalt perturbációszámítás módszereit alkalmazzuk az anharmonikus inga esetére! Vizsgáljuk az alábbiHamilton-függvényt

H =p2

2m+

1

2mω2x2︸ ︷︷ ︸

H0

+λx4. (416)

A perturbálatlan rendszer állapotösszege a szokásos harmonikus oszcillátor állapotösszeg:

Z0 =1

~βω. (417)

A negyedfokú potenciál várhatóértéke a perturbálatlan rendszer eloszlása szerint

⟨x4⟩

0=

∫x4e−βH0dx∫e−βH0dx

=u= βmω2

2

∫x4e−ux

2

dx∫e−ux2dx

=∂2u

√π/u√π/u

=

√π∂2

uu−1/2√

π/u=

1

2× 3

2

u−5/2

u−1/2=

3

4

1

u2, (418)

=3

(βmω2)2 . (419)

Az energia tehát

E = −∂β lnZ ≈ −∂β(lnZ0 − βλ

⟨x4⟩

0

)= −∂β

(lnZ0 − βλ

3

(βmω2)2

)(420)

= kBT −3λ

m2ω4(kBT )

2. (421)

A h®kapacitás pedig

C = kB −6λ

m2ω4k2

BT. (422)

22. Ideális gáz forgó hengerben

Az alábbiakban egy olyan rendszert fogunk vizsgálni melyet célszer¶ nem inerciális rendszerben leírni. A vizsgálandó rendszeregy L hosszúságú és R sugarú tengelye körül ω szögsebességgel forgó henger alakú tartályba zárt ideális gáz.

Jelöljük a labor rendszerben egyetlen részecske koordinátáit ~r'-al. Ezen részecske Lagrange-függvénye a szokásos

L =1

2m(~r′)2

(423)

alakot ölti. A hengerrel együtt forgó koordináta rendszerben ez az

L =1

2m(~r + ~ω × ~r

)2

(424)

kifejezésre módosul. Az ~r koordinátához kanonikusan konjugált impulzus

~p =∂L

∂~r= m

(~r + ~ω × ~r

), (425)

azaz~r = ~p/m− ~ω × ~r. (426)

38

Page 39: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

A Hamilton-függvényt a Lagrange-függvény Legendre-transzformációjából határozzuk meg:

H = ~r · ~p− L, (427)

= ~p · (~p/m− ~ω × ~r)− 1

2m (~p/m)

2, (428)

=(~p−m~ω × ~r)2

2m− 1

2m (~ω × ~r)2

. (429)

Vegyük észre, hogy a Coriolis-er®ért felel®s ~ω × ~r tag a kifejezés els® részében a statisztikus állapotösszegbe nem ad járulékothiszen az az impulzus integrál origóját tologatja csak! A kifejezés második része pedig egy harmonikus potenciál, a centrifugáliser®ért felel®s tag mely a henger palástjához igyekszik szorítani a részecskét. Az ~r és ~ω vektorokat vegyük fel az

~ω =

00ω

, ~r =

xyz

, (430)

alakban ahol az x, y és z koordinátákra a henger a következ® megszorításokat rója ki:

x2 + y2 < R2, z ∈ [0, L]. (431)

A Hamilton-függvény tehát

H =∑i

p2i

2m− 1

2mω2r2

2D,i, r22D,i = x2

i + y2i . (432)

Az állapotösszeg pedig

Z =ZN1N !

, Z1 =1

h3

∫d3p

∫henger

d3re−β[p2

2m−12mω

2r22D

]. (433)

Egy részecske járuléka

Z1 =1

h3

(π2m

β

)3/2

L2π

∫ R

0

dr2Dr2Deβ12mω

2r22D , (434)

u =βmω2r2

2D

2,

du

βmω2r2D= dr2D, (435)

Z1 =1

h3

(π2m

β

)3/2L2π

βmω2

∫ βmω2R2

2

0

dueu, (436)

=1

h3

(π2m

β

)3/2L2π

βmω2

[eβmω2R2

2 − 1

]. (437)

Az energia várható értéke:

E = −∂β lnZ = −∂βN[ln

(eβmω2R2

2 − 1

)− 5

2lnβ

], (438)

=5

2NkBT −N

mω2R2

2

eβmω2R2

2

eβmω2R2

2 − 1. (439)

Veteked® energia skálák: kBT és βmω2R2

2 . Ha mω2R2

2 kBT lassú forgás vagy nagy h®mérséklet esetén, alkalmazva az ismert

ex ≈x≈0

1 + x (440)

közelítést az energia várhatóértéke az

E ≈ 5

2NkBT −N

mω2R2

2

1 + βmω2R2

2βmω2R2

2

(441)

=5

2NkBT −NkBT

[1 +

βmω2R2

2

]=

3

2NkBT −N

mω2R2

2

39

Page 40: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

kifejezéssel becsülhet®.Ha mω2R2

2 kBT azaz gyors forgás illetve kicsi h®mérséklet akkor a (439) képletben az els® tagot elhanyagolhatjuk és amásodik tag pedig az

E ≈ −Nmω2R2

2(442)

alakra egyszer¶södik. Azaz minden részecske a henger palástjára simul!Vizsgáljuk meg a rendszerben uralkodó nyomásviszonyokat. Ehhez el®ször határozzuk meg a szabad energiát termodinamikai

határesetben a Stirling-formula (47) segítségével kapjuk, hogy

F = −kBT lnZ ≈ −kBTN lnZ1 +NkBT (lnN − 1) . (443)

A tet®lapra ható er®

− ∂LF = −∂L [−kBTN lnL] =kBTN

L(444)

A palástra ható nyomás ppalást a szabadenergia sugár szerinti deriváltjával hozható kapcsolatba:

ppalást2RπL = −∂RF = −∂R[−kBTN ln

(eβmω2R2

2 − 1

)]= Nmω2R

eβmω2R2

2

eβmω2R2

2 − 1(445)

ppalást =Nmω2

2πL

eβmω2R2

2

eβmω2R2

2 − 1. (446)

A részecskék radiális s¶r¶ségeloszlása a (433)-ben szerepl® integrálok részleges elvégzéséb®l

n(r) = Neβ

12mω

2r22D∫

hengerd3reβ

12mω

2r22D

=Neβ

12mω

2r22D

2πL∫ R

0dr2Dr2Deβ

12mω

2r22D

(447)

=N

2πL

βmω2eβ12mω

2r22D(

eβmω2R2

2 − 1) .

Összevetve ezt a kifejezés a palástot ér® nyomás (446) kifejezésével kapjuk, hogy

p(r) = n(r)kBT. (448)

Felintegrálva a nyomást a henger tet®lapjára

2πkBT

∫ R

0

drrn(r) =NkBT

L(449)

nem meglep® módon, visszakapjuk a tet®lapra ható er® (444) kifejezését.

23. Súlyos dugattyú

Vizsgáljunk egy súlyos dugattyúszelep által kordában tartott ideális gázt! A gázrészecskéinek súlya a szelep súlyához képestelhanyagolható ezért tekintsünk el a nehézségi er®nek a gáz részecskékre gyakorolt hatásától! Határozzuk meg a rendszerenergiáját illetve a dugattyú pozíciójának várható értékét!

A rendszer Hamilton-függvénye:

H =P 2

2M+MgX +

∑i

p2i

2m, (450)

A koordináták az alábbi határok között változhatnak

0 < xi < X, 0 < yi,zi < L, L2 = A. (451)

Az állapotösszeg tehát

Z =1

h3NN !

1

h

∫e−βH

(∏i

d~pid~ri

)dPdX,

=1

h3NN !AN

(√2mπ

β

)3N(√

2Mπ

β

)∫ ∞0

XNe−βMgXdX. (452)

40

Page 41: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Végrehajtva az

u = βMgX,du

dX= βMg (453)

változó cserét kapjuk, hogy

Z =1

h3NN !AN

(√2mπ

β

)3N(√

2Mπ

β

)∫ ∞0

(u

βMg

)Ne−u

du

βMg, (454)

=1

h3NN !AN

(√2mπ

β

)3N(√

2Mπ

β

)Γ (N + 1)

(βMg)N+1

,

=1

h3NAN

(√2mπ

)3N √2Mπ

1

(Mg)N+1

β−(N+1+3N/2+1/2).

Ebb®l az átlagos energia:

E = −∂β lnZ = (N + 1 + 3N/2 + 1/2)kBT ≈N1

5N

2kBT (455)

Kapjuk tehát, hogy az állandó nyomáson az ideális gáz h®kapacitása nagyobb mint állandó térfogaton:

Cp = CV +NkB (456)

A dugattyú átlagos helyzetét〈X〉 háromféle módon fogjuk meghatározni. El®ször is az ideális gáztörvényb®l egy durvának t¶n®de intelligens becslés alapján kapjuk, hogy:

pV = NkBT (457)Mg

AA 〈X〉 = NkBT (458)

〈X〉 =NkBT

Mg(459)

Az ekvipartíció tétel (312) és a fent számolt átlagos energia (455) segítségével kapjuk, hogy:

E =

⟨p2

2M

⟩︸ ︷︷ ︸

12kBT

+Mg 〈X〉+

⟨∑i

p2i

2m

⟩︸ ︷︷ ︸

32NkBT

= (N + 1 + 3N/2 + 1/2)kBT (460)

azaz

〈X〉 =(N + 1)kBT

Mg. (461)

Hasonló eredményre jutunk ha az átlag értékét direkt módon számítjuk:

〈X〉 =

∫Xe−βHdΓ∫e−βHdΓ

= − 1

βM

1

Z

∂g

∫e−βHdΓ = − 1

βM∂g lnZ =

1

M∂gF (462)

lnZ = − (N + 1) ln g + . . . (463)

〈X〉 =(N + 1)kBT

Mg. (464)

41

Page 42: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

VI. rész

Nagykanonikus és egyéb sokaságok

Nagykanonikus állapotösszeg:

Z =

∞∑N=0

∑n

e−βEn(N)−αN (465)

Z =

∞∑N=0

∫dΓe−βH(p,q,N)−αN (466)

α = − µ

kBT(467)

Nagykanonikus potenciál:Φ(T, V, µ) = −kBT lnZ (468)

Φ(T, V, µ) = E − TS − µN (469)

= −pV (470)

dΦ = −SdT − pdV −Ndµ (471)

Részecskeszám (átlagos):

〈N〉 = −∂α lnZ|V,β (472)⟨∆N2

⟩= −∂α 〈N〉|V,β (473)

24. Óriás abszorbens molekula ideális gázban

Vizsgáljunk egy óriás abszorbens molekula és egy adott p nyomású és T h®mérséklet¶ ideális gáz kölcsönhatását. A molekulalegfeljebb két atomot tud megkötni a gázmolekulákból. Ha egy atom van megkötve a molekulán akkor a kötési energia −u hakét atom van megkötve a molekulán akkor a kötési energia −2v.

Határozzuk meg, hogy átlagosan hány részecske van a molekulára kötve az ideális gáz nyomásának és h®mérsékleténekfüggvényében. Vizsgáljuk a p→ 0 és p→∞ határeseteket!

Határozzuk meg el®ször is a gáz molekula nagykanonikus állapotösszegét! Az 1. táblázat segítségével az állapotösszeg

energia 0 −u −2vrészecskeszám 0 1 2degeneráció 0 2 1

1. táblázat. Abszorbens molekula energia-részecskeszám-degeneráció térképe

Zmol =

N=0︷︸︸︷1 + 2e−β(−u−µ)︸ ︷︷ ︸

N=1

+

N=2︷ ︸︸ ︷e−β(−2v−µ2) (474)

Melyb®l a nagykanonikus potenciál (468) segítségével

Φ = −kBT lnZmol, (475)

az átlagos abszorbeált gázmolekulák számára (472) alapján kapjuk, hogy

〈Nabsz〉 = −∂µΦ =2eβ(u+µ) + 2e2β(v+µ)

1 + 2eβ(u+µ) + e2β(v+µ). (476)

42

Page 43: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

A µ kémiai potenciált itt a környezet, azaz az ideális gáz határozza meg (intenzív paraméterek egyenl®sége egyensúlyban)! Vegyükészre hogy a releváns meghatározandó paraméter eβµ. Vegyük észre, hogy azonos részecskékb®l álló rendszer nagykanonikusállapotösszege Z és egy alrendszer kanonikus állapotösszege Z1 között fennáll az alábbi egyszer¶ összefüggés:

Z =

∞∑N=0

1

N !ZN1 eβµN = e(Z1eβµ), (477)

ahol az exponenciális függvény Taylor-sorát felismerve értékeltük ki az összegzést. Ideális gáz esetén tehát kapjuk, hogy

Zid.gáz = e(Z1eβµ), (478)

ahol

Z1 =1

h3

∫d3pd3re−β

p2

2m = V

(2πm

βh

)3/2

. (479)

egy gáz atom kanonikus állapotösszege. A gázfázisban lév® atomok átlagos száma tehát (472) segítségével

〈Nid.gáz〉 = −∂α lnZid.gáz =1

β∂µ lnZid.gáz = −∂µ ln Φid.gáz (480)

=1

β∂µ(Z1eβµ

)= Z1eβµ

Kapjuk tehát, hogy

eβµ =〈Nid.gáz〉Z1

=〈Nid.gáz〉

V

(2πm

βh2

)−3/2

. (481)

kihasználva az ideális gáz állapotegyenletét

pV =〈Nid.gáz〉

β, (482)

kapjuk, hogy

eβµ = pβ

(2πm

βh2

)−3/2

. (483)

Ezt a kifejezést visszahelyettesítve (476) megkapjuk, hogy a környezet nyomásától és h®mérsékletét®l függ®en hány atom van amolekulához kötve. Vizsgáljuk most meg nagy és kis nyomás határesetekben hogy alakul ez a kifejezés!

Kis nyomáson p → 0, azaz eβµ → 0 a nevez®ben elhanyagolhatjuk az 1-es melletti tagokat a számlálóban pedig az e2βµ-stagokat

limp→0〈Nabsz〉 = lim

p→0

2eβ(u+µ) + 2e2β(v+µ)

1 + 2eβ(u+µ) + e2β(v+µ)≈ 2e

ukBT

p

kBT

(2πmkBT

h

)−3/2

. (484)

Nagy nyomáson p→∞, azaz eβµ →∞

limp→∞

〈Nabsz〉 = limx→∞

2x+ 2x2

1 + 2x+ x2= 2, (485)

tehát mindenki be van töltve.9. Gyakorlat. Vezessük le (481)-t kanonikus formalizmusban.

43

Page 44: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

25. Tapadós falú bögre

Vizsgáljuk meg kanonikus és nagykanonikus formalizmusban egy tapadós falú edénybe helyezett ideális gáz az edény faláhozkötött atomjainak számát! Az edény falának B számú kötési helye van melyekre tapadva a gáz egy részecskéje −ε kötésienergiával bír. Tegyük fel, hogy a gáz részecskéinek száma N sokkal nagyobb mint a kötési helyek száma, azaz ahol szükséges,élhetünk a B N feltevéssel.

KanonikusA teljes rendszer (kötött és kötetlen atomok) állapotösszege

Z =

B∑n=0

kötött︷ ︸︸ ︷(Bn

)eβεn

ZN−n1

(N − n)!︸ ︷︷ ︸nem kötött

. (486)

Megjegyzés: A kombinatorikai faktor átírása(Bn

)1

(N − n)!=

(Bn

)1

(N − n)!

n!

n!

N !

N !(487)

=1

N !︸︷︷︸Gibbs

×(Nn

)︸ ︷︷ ︸

atomok kiválasztás

× n!︸︷︷︸kötési kongurációk száma

×(Bn

)︸ ︷︷ ︸

kötési hely kiválasztása

(488)

egy másik megközelítésb®l világít rá az állapot összeg struktúrájára.A kötött részecskék számának direkt meghatározása a kanonikus átlagok (308) deníciója alapján

〈n〉 =

∑Bn=0 n

(Bn

)eβεn

ZN−n1

(N−n)!∑Bn=0

(Bn

)eβεn

ZN−n1

(N−n)!

=

∑Bn=0 n

(Bn

)eβεn

ZN−n1

(N−n)!N !

∑Bn=0

(Bn

)eβεn

ZN−n1

(N−n)!N !

. (489)

Kihasználva, hogy N B azaz N n:

N !

(N − n)!= N(N − 1) . . . (N − n+ 1) ≈

nNNn, (490)

A kötött részecskék száma

〈n〉 =

∑Bn=0 n

(Bn

)(Neβε

Z1

)n∑Bn=0

(Bn

)(Neβε

Z1

)n =

∑Bn=0 n

(Bn

)(Neβε

Z1

)n[1 +

(Neβε

Z1

)]B (491)

=

∑Bn=1

B!(n−1)!(B−n)!

(Neβε

Z1

)n[1 +

(Neβε

Z1

)]B =

Neβε

Z1B∑Bn=1

(B−1)!(n−1)!(B−n)!

(Neβε

Z1

)n−1

[1 +

(Neβε

Z1

)]B (492)

=

Neβε

Z1B[1 +

(Neβε

Z1

)]B−1

[1 +

(Neβε

Z1

)]B =NZ1

eβεB

1 + NZ1

eβε. (493)

NagykanonikusA kötött atomok nagykanonikus állapotösszege (465) szerint

Zkötött =

B∑n=0

(Bn

)e−β(−ε−µ)n =

[1 + eβ(ε+µ)

]B. (494)

A nagykanonikus termodinamikai potenciál

Φ = − lnZkötöttβ

(495)

44

Page 45: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

kémiai potenciál szerinti deriváltja (472) adja meg a kötött részecskék várható értékét:

〈n〉 = −∂µΦ, (496)

=1

β∂µB ln

[1 + eβ(ε+µ)

],

= Beβ(ε+µ)

1 + eβ(ε+µ). (497)

Az el®z® feladatban láttuk, hogy a µ kémiai potenciál kifejezhet® a gáz fázisban lev® részecskék számával és a egy gázrészecskekanonikus állapotösszegével (481), azaz:

eβµ =N

Z1= pβ

(2πm

βh

)−3/2

. (498)

Megjegyzés: Itt is támaszkodunk a termodinamikai határeseteben érvényes N n közelítésre!Kapjuk tehát, a várakozásainknak megfelel®en, hogy (497) és (493) megegyeznek!

26. Féligátereszt® tartály

Vizsgáljunk egy V térfogatú vegyes gázt félig átereszt® tartályban, A típusú atomok átmennek B típusúak nem. A környezetbenA atomok vannak T h®mérsékleten és p0 nyomáson. Átlagosan mennyi A atom van a tartályban és mekkora nyomást képviselnek?

Vegyes sokasággalTekinthetünk a tartályra mint az A atomok szempontjából nagykanonikus, a B atomok szempontjából kanonikus eloszlás

szerint viselked® rendszerre. Ekkor bevezethetjük a vegyes állapotösszeget:

Z =1

NB !ZNB1B e(Z1AeβµA) (499)

Ahol egy A illetve B részecske állapot összege, a szokásos

Z1A/B = V

(2πmA/B

βh

)3/2

= V zA/B , (500)

alakot ölti. A vegyes termodinamikai potenciál, a kanonikus és a nagykanonikussal analóg módon:

F(T, V,NB , µA) = −kBT lnZ (501)

dF = −SdT − pdV + µBdNB −NAdµA (502)

A releváns zikai mennyiségek várható értékei a megfelel® paraméter szerinti deriváltakkal állíthatóak el®:

〈NA〉 = −∂µAF, µB = ∂NBF, (503)

p = −∂V F. (504)

Az A részecskék számának várható értéke a tartályban tehát

〈NA〉 =1

β∂µA ln

1

NB !ZNB1B e(Z1AeβµA) =

1

β∂µA

(Z1AeβµA

), (505)

= Z1AeβµA , (506)

= V zAeβµA . (507)

A tartályban uralkodó nyomás

p = −∂V F =1

β∂V ln (V )

NB e((zAV )eβµA) =1

β∂V

[ln (V )

NB +((zAV ) eβµA

)](508)

=1

β

NBV

+1

βeβµAzA =

1

β

NBV

+1

βeβµA

Z1A

V=NB + 〈NA〉

βV.

A környezetben az A atomok ideális gázt alkotnak tehát érvényes rájuk az ideális gázokra vonatkozó állapotegyenlet

〈Nk〉Vk

= βp0, (509)

45

Page 46: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

illetve a nagykanonikus sokaságokra jellemz® (507) összefüggés is:

〈Nk〉Vk

= zAeβµA (510)

Kapjuk tehát hogy azA atomok s¶r¶sége a teljes rendszerre vonatkozóan homogén, a tartályon kívül és belül egyaránt megegyezik.

〈NA〉V

= βp0. (511)

Össze vetve ez (508)-el kapjuk, hogy a tartályban uralkodó nyomás, a parciális nyomások törvényének megfelel®en

p =NBkBT

V+ p0. (512)

A kémiai potenciál egyensúlyábólAz A atomok egyensúlyi eloszlását a rájuk vonatkozó kémiai potenciálok azonosságából is megkaphatjuk. El®ször is vegyük

észre, hogy a tartályban a két komponens¶ ideális gáz állapotegyenlete egyszer¶en

pV = (〈NA〉+NB) kBT. (513)

MivelµbennA = µkinnA = µA, β

benn = βkinn, (514)

βp0 =〈Nk〉Vk

= zAeβµA =〈NA〉V

(515)

vissza helyettesítve ezt a tartály gáztörvényébe vissza kapjuk (512)-t.

46

Page 47: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

VII. rész

Gyakorló példák - I

10. Gyakorlat. Vizsgáljunk feles spin¶ részecskék inkoherens szuperpozícióját! Legyen t = 0-ban a rendszer az Sz = ~2 σz

operátor +~2 sajátérték¶ állapotának és a Sx = ~

2 σx operátor −~2 sajátérték¶ állapotának 60%-40% keveréke. Hasson a rendszerre

T ideig egy y irányú mágneses tér azaz a Hamilton-operátor H = µ~2Bσy. Számítsuk ki

1. t = 0-ban Sz sajátbázisában a s¶r¶ségmátrixot

2. t = T -ben Sz sajátbázisában a s¶r¶ségmátrixot

3. t = T -ben⟨Sz

⟩-t

Útmutatás: Hasznos lehet a Pauli-mátrixokra vonatkozó

eiα~n·~σ = σ0 cosα+ i~n · ~σ sinα, (516)

ahol ~n egy egység hosszúságú vektor.

11. Gyakorlat. Egy pont részecske két dimenziós mozgást végez. A rendszer Hamilton-operátora

H =p2x + p2

y

2m+ U(x, y), (517)

U(x, y) = A(x2 − xy + 3y2)2. (518)

Határozzuk meg a potenciális energia várható értékét ha a részecske egy véges h®mérséklet¶ h®tartállyal van kapcsolatban!

Útmutatás: Vegyük észre, hogy a potenciál a koordináták homogén függvénye!

12. Gyakorlat. Lássuk be Von Leeuwen tételét: klasszikus zikában nincs diamágnesség!

Legyen egy N töltött részecskéb®l álló rendszer Hamilton-operátora mágneses tér nélkül H(~r1, ~p1, ~r2, ~p2, . . . , ~rN , ~pN ) mely a~B = ~∇× ~A tér hatására H(~r1, ~p1−e1

~A1, ~r2, ~p2−e2~A2, . . . , ~rN , ~pN−eN ~AN ) alakot ölti ahol értelem szer¶en ei az i−edik részecske

töltése és ~Ai a vektor potenciál értéke az i−edik részecske helyén, ~Ai = ~A(~ri). Határozzuk meg a rendszer M mágnesezettségét

M = 〈−∂BH〉 = kBT∂B lnZ. (519)

13. Gyakorlat. Vizsgáljunk N darab két atomos molekula ideális gázát V térfogaton és T h®mérsékleten. Egy molekulaHamilton-operátora legyen

H =p2

1 + p22

2m+

1

2K(~r1 − ~r2)2 (520)

Határozzuk meg a

1. szabad energiát

2. a fajh®t

3. a molekulák méretére jellemz®⟨(~r1 − ~r2)2

⟩várható értéket

14. Gyakorlat. Átlagosan milyen magasságban helyezkedik el egy relativisztikus pattogó labda ha Th®mérséklet¶ h®fürd®velvan kapcsolatban?

47

Page 48: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

VIII. rész

Ideális kvantumgázok

27. Kvantumgázok nagykanonikus vizsgálata

Az állapots¶r¶ség

Határozzuk meg az állapotok számát Ω0(E) egy adott Eenergia alatt egy d dimenziós rendszerre ha a diszperziós reláció

ε(~k) = α∣∣∣~~k∣∣∣ν (521)

alakú.

Ω0(E) =∑

~k,ε(~k)<E

1 = gLd

(2π)d

∫ε(~k)<E

ddk (522)

Itt g az a szabadsági fokok esetleges degenerációjának felel meg. Például 1/2 -es spin esetén g = 2. A kiszámítandó integrál nem

más mint egy d dimenziós gömb térfogata melynek a sugara (E/α)1/ν

~ !

Ω0(E) = gLd

(2π)d

πd/2

Γ (d/2 + 1)

(E/α)d/ν

~d(523)

Az állapot s¶r¶ség

%(E) = ∂EΩ0(E) = gLd

hdπd/2

Γ (d/2 + 1)αd/νd

νEdν−1 = AE

dν−1 (524)

Határozzuk meg az általános diszperziós relációval rendelkez® kvantumgázban a részecskék számát és az energia várhatóértékét! Vegyük el®ször észre, hogy a kvantumos eloszlás függvényeket felírhatjuk mértani sor alakjában:

1

eβ(E−µ) ± 1= e−β(E−µ) 1

1± e−β(E−µ)= e−β(E−µ)

∑l=0

(∓1)le−βl(E−µ). (525)

A részecskék száma

N =

∫ ∞0

% (E)

eβ(E−µ) ± 1dE = A

∫ ∞0

Edν−1e−β(E−µ)

∑l=0

(∓1)le−βl(E−µ)dE, (526)

= A∑l=0

(∓1)leβµ(l+1)

∫ ∞0

Edν−1e−βE(l+1)dE, u = βE(l + 1), dE =

du

β(l + 1), (527)

= A∑l=0

(∓1)leβµ(l+1)

(1

β(l + 1)

) dν∫ ∞

0

udν−1e−udu︸ ︷︷ ︸Γ( dν )

,

= AΓ

(d

ν

)eβµ

βdν

∑l=0

(∓1)l eβµl

(l + 1)dν

≈ AΓ

(d

ν

)eβµ

βdν

(1∓ eβµ

2dν

. . .

).

Az energia várható értékének kiszámítása a részecskék számának kiszámításával analóg módon történik. Vegyük észre, hogy haa fenti kifejezésben elvégezzük a d

ν →dν + 1 helyettesítést akkor épp az energia várhatóértékét kapjuk:

〈E〉 =

∫ ∞0

E% (E)

eβ(E−µ) ± 1dE (528)

= AΓ

(d

ν+ 1

)eβµ

βdν+1

∑l=0

(∓1)l eβµl

(l + 1)dν+1≈ AΓ

(d

ν+ 1

)eβµ

βdν+1

(1∓ eβµ

2dν+1± . . .

)

48

Page 49: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Az egy részecskére jutó energia tehát

〈E〉N

=

AΓ( dν+1)eβµ

βdν

+1

(1∓ eβµ

2dν

+1± . . .

)AΓ( dν )eβµ

βdν

(1∓ eβµ

2dν± . . .

) , (529)

≈ d

νkBT

(1± eβµ

2dν+1

. . .

). (530)

azaz a nem relativisztikus és az ultrarelativisztikus gázok esetén a következ® kvantum korrekciókat kapjuk

nem relativisztikus: d = 3, ν = 2→ 〈E〉N

=3

2kBT

(1± eβµ

252

. . .

)(531)

ultrarelativisztikus: d = 3, ν = 1→ 〈E〉N

= 3kBT

(1± eβµ

24. . .

)(532)

Határozzuk meg most a fenn tárgyalt általánosított ideális kvantumgáz nagykanonikus állapotösszegét és a nagykanonikus po-tenciált!

Z =∑ni

e−∑i β(εi−µ)ni =

∏i

∑ni=0

e−β(εi−µ)ni (533)

fermion:Z =∏i

(1 + e−β(εi−µ)

)(534)

bozon:Z =∏i

(1− e−β(εi−µ)

)−1

(535)

a nagykanonikus potenciál tehát:Φ = −pV = −kBT lnZ (536)

Φ = ∓kBT∑i

ln[1± e−β(εi−µ)

](537)

= ∓kBT

∫ ∞0

%(ε) ln[1± e−β(ε−µ)

]dε (538)

a korábban tárgyalt (524) általános állapots¶r¶séget felhasználva

Φ = ∓kBTA

∫ ∞0

εdν−1 ln

(1± e−β(ε−µ)

)dε (539)

= ∓kBTA

[εdν

ln(

1± e−β(ε−µ))]∞

0︸ ︷︷ ︸=0

±β νd

∫ ∞0

εdν e−β(ε−µ)

1± e−β(ε−µ)dε

(540)

= − ν

d

∫ ∞0

Aεdν e−β(ε−µ)

1± e−β(ε−µ)dε (541)

ahol a második lépésben a parciális integrálás∫u′v = uv −

∫uv′ ismert szabályát alkalmaztuk. Összevetve ezt a kifejezést az

energiának (528)-ban számolt átlagával kapjuk, hogy

pV =ν

d〈E〉 . (542)

49

Page 50: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

azaz

nem relativisztikus:d = 3, ν = 2→ pV =2

3〈E〉 (543)

ultrarelativisztikus:d = 3, ν = 1→ pV =1

3〈E〉 (544)

28. Ideális Fermi-gáz

Fermi-rendszereket jellemz® betöltésszám eloszlás a Fermi-Dirac eloszlás:

〈n〉 = f(ε) =1

eβ(ε−µ) + 1(545)

20. ábra. Fermi-Dirac el-oszlás

Zérus h®mérséklet

Határozzuk meg egy három dimenziós Fermi-gáz részecskéinek és energiájának átlagát ha a rendszerzérus h®mérsékleten van. Tegyük fel, hogy a diszperziós reláció

ε(~k) =

∣∣∣~~k∣∣∣22m

, (546)

alakú tehát az állapots¶r¶ség

% (E) = (2s+ 1)V 2π

(2m

h2

)3/2√E = αV

√E. (547)

A részecskék számának várható értéke zérus h®mérsékleten tehát

N =

∫ ∞0

% (E)

eβ(E−µ) + 1dE =

T→0

∫ µ

0

% (E) dE, (548)

= αV

∫ µ

0

√EdE = αV

2

3µ3/2,

azaz a kémiai potenciál:

µ =

(3

2

N

V

1

α

)2/3

. (549)

Hasonló meggondolásokból az energia várható értéke

〈E〉 =

∫ ∞0

E% (E)

eβ(E−µ) + 1dE =

T→0

∫ µ

0

E% (E) dE (550)

= αV

∫ µ

0

E3/2dE = αV2

5µ5/2.

Felhasználva a fenti két összefüggést az energiára és a kémiai potenciálra és a (542) állapotegyenletet kapjuk, hogy

p =2

3

〈E〉V

=2

3× 2

(3

2

N

V

1

α

)5/3

. (551)

50

Page 51: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Véges h®mérséklet két dimenzióban

Véges h®mérsékleten általában nem tudjuk elvégezni azokat az integrálokat melyekben a Fermi-függvény szerepel. Ha viszontkét dimenziós nem relativisztikus rendszert vizsgálunk akkor a részecskék számát zárt alakra tudjuk hozni!

Vegyük észre, hogy két dimenzióban d = 2 egy nem relativisztikus rendszer állapots¶r¶sége nem függ az energiától!

%2D (E) = 2D. (552)

Ekkor a részecskék száma

N =

∫ ∞0

% (E)

eβ(E−µ) + 1dE (553)

= 2D

∫ ∞0

1

eβ(E−µ) + 1dE, x = eβ(E−µ), dE =

dx

βx

=2D

β

∫ ∞e−βµ

1

x

1

x+ 1dx =

2D

β

[∫ ∞e−βµ

1

x− 1

x+ 1dx

]=

2D

β

[ln

x

x+ 1

]∞e−βµ

=2D

βln(1 + eβµ

)kapjuk tehát, hogy

eβµ = eβN2D − 1, (554)

melyb®l a kémiai potenciál kifejezhet® a h®mérséklet függvényében

µ =ln(

eβN2D − 1

. (555)

Az energia várhatóértékét már nem tudjuk zárt alakra hozni. A felmerül® integrál

Fj(x) =1

Γ (j + 1)

∫ ∞0

tj

et−x + 1dt (556)

alakú melyet Fermi-Dirac integrálnak hívnak.Láttuk, hogy a kvantumos eloszlásfüggvényeket értelmezhetjük mértani összegként (525).

1

eβ(E−µ) + 1= e−β(E−µ)

∑l=0

(−1)le−βl(E−µ). (557)

Határozzuk meg az fent vizsgált kétdimenziós rendszer részecskeszámát és energia várható értékét magas h®mérsékleten, azazamikor a mértani sor helyett csak az els® két tagot vesszük gyelembe!

N = 2D

∫ ∞0

1

eβ(E−µ) + 1dE ≈ 2D

∫ ∞0

e−β(E−µ)[1− e−β(E−µ) + . . .

]dE =

2D

βeβµ

[1− eβµ

2+ . . .

](558)

Ebb®l megtartva az els® két tagot (l = 0, 1)Nβ

2D

(1 +

eβµ

2+ . . .

)= eβµ (559)

Az energia hasonlóan

〈E〉 ≈ 2D

∫ ∞0

Ee−β(E−µ)[1− e−β(E−µ) + . . .

]dE =

2D

β2eβµ

[1− eβµ

4+ . . .

](560)

Vezet® rendben vissza írva eβµ ≈ Nβ2D -t:

〈E〉 ≈ N

β

[1− Nβ

8D+ . . .

](561)

Vegyük észre, hogy mivel D ∝ V (azaz extenzív mennyiség) a zárójelben megjelen® tag intenzív!

51

Page 52: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Kvantumkorrekciók magas h®mérsékleten a három dimenziós ultrarelativisztikus Fermi-gázban

E(~k) = c∣∣∣~~k∣∣∣ , d = 3, ν = 1 (562)

%(E) = g4πV

(hc)3E

2 = AE2 (563)

A részecskék N száma és az energia E várható értéke az (527) és (528) alapján

N =

∫ ∞0

% (E)

eβ(E−µ) + 1dE ≈ AΓ (3)

eβµ

β3

(1− eβµ

23+ . . .

)= g

4πV

(hc)3

eβµ2

β3

(1− eβµ

8+ . . .

), (564)

illetve

〈E〉 =

∫ ∞0

E% (E)

eβ(E−µ) + 1dE ≈ g 4πV

(hc)3

eβµ6

β4

(1− eβµ

24+ . . .

). (565)

Az egy részecskére jutó átlagos energia

〈E〉N

=

(1− eβµ

24 + . . .)

(1− eβµ

8 + . . .) ≈ 3

β

(1 +

eβµ

24. . .

)(566)

Vezet® rendben eβµ-t kifejezve (564)-b®l kapjuk, hogy

eβµ ≈ N

V

(βhc)3

g8π, (567)

Vissza helyettesítve (566)-be

〈E〉N≈ 3

β

(1 +

N

V

(βhc)3

128gπ. . .

). (568)

Érdemes a klasszikus esetb®l kapott eredménnyel összehasonlítani:

〈E〉 = 3NkBT. (569)

A (542) kifejezés szerint az ideális kvantumgáz energiája kifejezhet® a nyomás és a térfogat szorzatával

pV =1

3〈E〉 . (570)

Kapjuk tehát, hogy az ultrarelativisztikus ideális gáz állapotegyenlete magas h®mérsékleten:

pV = NkBT

(1 +

N

V

(βhc)3

128gπ. . .

)(571)

Határozzuk most meg az entrópia kvantumos korrekcióit magas h®mérsékleten! Célszer¶ a Gibbs-Duhem-relációt segítségül hívni

E = TS − pV + µN (572)

S =N

T

(4

3

E

N− µ

)(573)

Szükségünk lesz tehát a kémiai potenciál magas h®mérséklet¶ közelítésére is! Induljunk ki (564)-ból! Kihasználva, hogy eβµ kicsikapjuk, hogy

eβµ ≈ N (hc)3β3

g8πV

(1 +

eβµ

8+ . . .

)(574)

a jobboldalon eβµ-t a vezet®rendjével helyettesítve (567)

eβµ ≈ N(hc)

3β3

g8πV

(1 +

N (hc)3β3

g64πV+ . . .

)(575)

µ ≈ 1

βln

(N (hc)

3β3

g8πV

)+N (hc)

3β2

g64πV(576)

52

Page 53: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

visszahelyettesítve (566)-t és a fenti kifejezést (573)-be kapjuk, hogy

S =N

T

(4

β

(1 +

N

V

(βhc)3

128gπ

)− 1

βln

(N (hc)

3β3

g8πV

)− N (hc)

3β2

g64πV

)

S =N

T

(4

β− 1

βln

(N (hc)

3β3

g8πV

)+

(4N

V

(hc)3β2

128gπ

)− N (hc)

3β2

g64πV

)

S =N

T

(4

β− 1

βln

(N (hc)

3β3

g8πV

)+

(N

V

(hc)3β2

64gπ

))

S = NkB

(4− ln

(1

N

gV

(hc

kBT

)3)

+1

64π

N

gV

(hc

kBT

)3)

(577)

A fenti kifejezés els® két tagja megegyezik a klasszikus ultrarelativisztikus ideális gáz entrópiájával.Határozzunk meg végül két mérhet® mennyiség, az állandó térfogaton CV mért fajh® illetve a κT izoterm kompresszibilitás

magash®mérséklet¶ viselkedését is! Kezdjük CV -vel! Kiindulva (568)-b®l kapjuk, hogy

CV = ∂TE|V = (578)

= ∂T 3N (kBT )

(1 +

N

V

(hc)3

128gπ (kBT )3 . . .

)

= 3kBN

(1− N

V

1

64gπ

(hc

kBT

)3)

A kompresszibilitás

κT = − 1

V∂pV |T,N (579)

meghatározásához induljunk ki az (571) állapot egyenletb®l.

V =NkBT

p

(1 +

N

V

(βhc)3

128gπ. . .

)(580)

≈ NkBT

p

(1 +

p

kBT

(βhc)3

128gπ. . .

)(581)

=NkBT

p+N

(βhc)3

128gπ(582)

ahol NV -t ismét az els® rendbeli értékével közelítettük a második tagban.

− 1

V∂pV = − 1

V

(−NkBT

p2

)(583)

=p

NkBT

(1− p

kBT

(βhc)3

128gπ. . .

)NkBT

p2(584)

κT =1

p

(1− p

kBT

(βhc)3

128gπ. . .

)(585)

15. Gyakorlat. Határozzuk meg az állandó nyomáson vett fajh® magash®mérséklet¶ kvantum korrekcióit ultrarelativisztikusFermi-gáz esetében.

16. Gyakorlat. Határozzuk meg az ultrarelativsztikus Bose-gáz magas h®mérséklet¶ korrekcióit! Vizsgáljuk meg a Fermi-gáztárgyalásánál kiszámolt mennyiségeket!

53

Page 54: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Alacsony h®mérséklet¶ ultrarelativisztikus Fermi-gáz

Sommerfeld sorfejtés: ∫ ∞0

ϕ(E)f(E)dE ≈∫ µ

0

ϕ(E)dE +π2

6(kBT )

2ϕ′(µ) + . . . (586)

%(E) = g4πV

(hc)3E

2 = AE2 (587)

Határozzuk meg el®ször az energia és a részecskeszám értékét zérus h®mérsékleten!

N =

∫ µ

0

% (E) dE = g4πV

3 (hc)3µ

3 (588)

A kémiai potenciál tehát zérus h®mérsékleten

µ0 =

(N3

g4πV

)1/3

(hc) . (589)

Az energia

〈E〉 =

∫ µ

0

E% (E) dE = gπV

(hc)3µ

4 (590)

= gπV hc

(N3

g4πV

)4/3

Határozzuk most meg az alacsony h®mérséklet¶ viselkedést!

N =

∫ ∞0

% (E) f(E)dE =

∫ µ

0

% (E) dE +π2

6(kBT )

2%′ (µ) + . . . (591)

= g4πV

3 (hc)3µ

3 +π2

6(kBT )

2g

8πV

(hc)3µ

= g4πV

(hc)3

(µ3

3+π2

3(kBT )

)ebb®l

N (hc)3

3

g4πV= µ3 + π2 (kBT )

2µ (592)

µ30 = µ3 + π2 (kBT )

2µ (593)

≈ µ3

(1 + π2

(kBT

µ0

)2)

(594)

A kémiai potenciál els® véges h®mérséklet¶ korrekciója tehát

µ ≈ µ0

(1− π2

3

(kBT

µ0

)2). (595)

Az energia várható értéke

〈E〉 =

∫ ∞0

E% (E) f(E)dE =

∫ µ

0

E% (E) dE +π2

6(kBT )

2(E%)

′(µ) (596)

= g4πV

(hc)3

(µ4

4+π2

6(kBT )

23µ2 + . . .

)(597)

54

Page 55: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Egy részecskére jutó energia

〈E〉N

=

(µ4

4 + π2

6 (kBT )2

3µ2 + . . .)

(µ3

3 + π2

6 (kBT )2

2µ+ . . .) (598)

=

µ4

4

(1 + 2π2

(kBTµ

)2

+ . . .

)µ3

3

(1 + π2

(kBTµ

)2

+ . . .

)≈ 3

(1 + π2

(kBT

µ0

)2

+ . . .

)

≈ 3

4µ0

(1− π2

3

(kBT

µ0

)2)(

1 + π2

(kBT

µ0

)2

+ . . .

)〈E〉N

≈ 3

4µ0

(1 +

2

3π2

(kBT

µ0

)2)

(599)

Ennek ismeretében és felhasználva az (542) összefüggést, az állapot egyenletre vonatkozó alacsony h®mérséklet¶ korrekciókmeghatározhatóak:

pV =1

3〈E〉 =

1

4µ0N

(1 +

2

3π2

(kBT

µ0

)2)

(600)

A fajh® pedig

CV = ∂T 〈E〉 = π2kBN

(kBT

µ0

). (601)

Milyen h®mérsékleten t¶nik el a kémiai potenciál?

Határozzuk meg azt a kritikus h®mérsékletet ahol egy ideális nem reativisztikus Fermi-gáz kémiai potenciálja elt¶nik!

%(E) = αV√E. (602)

Keressük tehát azt a T1 h®mérsékletet ahol

N =

∫ ∞0

% (E)

eβ1E + 1dE =

∫ ∞0

αV√E

eβ1E + 1dE. (603)

Legyen

β1E = x2,√Eβ1 = x, (604)

β1dE = 2xdx, (605)

ekkor

N =αV√β1

∫ ∞0

x

ex2 + 1

2xdx

β1, (606)

= 2αV (kBT1)3/2∫ ∞

0

x2

ex2 + 1dx. (607)

Természetesen zérus h®mérsékleten a kémiai potenciál véges és ekkor

N =

∫ µ

0

αV√EdE =

α2V

3µ3/2 =

α2V

3(kBTF )

3/2. (608)

A (607) és (608) kifejezések hányadosából kapjuk tehát, hogy

1 =2αV (kBT1)

3/2

α2V3 (kBTF )

3/2

∫ ∞0

x2

ex2 + 1dx, (609)

1 =1

3

(T1

TF

)∫ ∞0

x2

ex2 + 1dx︸ ︷︷ ︸

≈0.339

→(TFT1

)≈ 1.01139. (610)

55

Page 56: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

29. Ideális Bose-gáz

Foton gáz részecskeszáma

21. ábra. Riemann-féle ζ−függvény

Határozzuk meg egy T h®mérséklet¶ üregben lév® fotonok N számát! A foton gázratekinthetünk úgy mint egy utrarelativisztikus kvantum gázra melyet µ = 0 kémiai po-tenciállal rendelkez® Bose-Einstein-statisztikát követ® részecskék alkotnak, melynek apolarizációból származó degenerációfoka g = 2 ! A diszperziós reláció tehát ismét (562)míg az állapots¶r¶séget újfent (563) adja:

E(~k) = c∣∣∣h~k∣∣∣ , (611)

%(E) = g4πV

(hc)3E

2 = AE2. (612)

Az általános ideális Bose-gáz részecskeszám várhatóértéke (527) szerint

〈N〉 = AΓ

(d

ν

)eβµ

βdν

∑l=0

eβµl

(l + 1)dν

(613)

A mi esetünkben d = 3, ν = 1 és µ = 0 tehát a részecskeszám várhatóérték az

〈N〉 = AΓ (3)

β3

∞∑l=1

1

l3(614)

alakot ölti. Az összegben felismerhetjük a Riemann-féle ζ(z)-függvényt.

z ζ(z)

−1 − 112

0 − 12

1 ∞2 π2

6

3 1.202

4 π4

90

3/2 2.6125/2 1.314

2. táblázat. Riemann-féleζ-függvény néhány értéke

Riemann-Zeta-függvény

ζ (z) =

∞∑n=1

1

nz(615)

=1

Γ (z)

∫ ∞0

xz−1

ex − 1dx (616)

A ζ-függvény segítségével a részecskeszám várható értéke tehát:

〈N〉 = 24πV

(hc)3

Γ (3) ζ (3)

β3=

16πV

(hcβ)3 ζ (3) (617)

= V2ζ (3)

π2

(kBT

~c

)3

(618)

56

Page 57: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

A kémiai potenciál viselkedése a kritikus h®mérséklet közelében

Tudjuk, hogy a kondenzációs h®mérséklet alatt a µ kémiai potenciál értéke zérus. Vizsgáljuk meg,hogy miként viselkedik a kémiai potenciál a kritikus h®mérséklet felett de ahhoz közeli h®mérsékleten!A vizsgálódás során szükségünk lesz a Bose-Einstein integrálok néhány tulajdonságára. Foglaljuk azalábbiakban össze ezeket.

Bose-Einstein- és Fermi-Dirac-integrálok:

F± (s, α) =1

Γ (s)

∫ ∞0

xs−1dx

ex+α ± 1

+ : Fermi-Dirac

− : Bose-Einstein, Re(s) > 1, α > 0(619)

Deriváltak α-szerint:∂nF± (s, α)

∂αn= (−1)

nF± (s− n, α) (620)

Bose-Einstein-integrálok közelítése:

F− (s, α) ≈ ζ (s) + Γ (1− s)αs−1 . . . ,ha s nem pozitív egész és α1 (621)

Vizsgáljuk meg most a három dimenziós nem relativisztikus Bose-gáz kémiai potenciáljának viselkedését a kritikus h®mér-séklet közelében. A Bose-gáz részecskeszáma általános esetben az alábbiak szerint fejezhet® ki a fenn deniált Bose-Einsteinintegrálokkal

N =

∫ ∞0

% (E) dE

eβ(E−µ) − 1= A

∫ ∞0

Edν−1dE

eβ(E−µ) − 1, E =

x

β,

dE

dx=

1

β, α = −βµ (622)

= A

∫ ∞0

(xβ

) dν−1

dxβ

ex+α − 1=

A

βd/ν

∫ ∞0

xdν−1dx

ex+α − 1

=A

βd/νΓ

(d

ν

)F−

(d

ν, α

)Esetünkben d = 3, ν = 2. Vegyük a részecskeszám kifejezések hányadosát Tc-n és kicsivel Tc felett! Bevezetve a βc = 1

kBTcjelölést

1 =

A

β32

Γ(

32

)F−

(32 , α

)A

β32c

Γ(

32

)F−

(32 , 0) (623)

(TcT

) 32

=F−

(32 , α

)F−

(32 , 0) ≈ ζ

(32

)+ Γ

(− 1

2

12c

ζ(

32

) (624)

(TcT

)=

(1− 2

√π

ζ(

32

)α 12c

) 23

≈ 1− 4

3

√π

ζ(

32

)α 12c (625)

Ahol kihasználtuk hogy Γ(−1/2) = −2√π és bevezettük αc = −βcµ-t. Kifejezve a fenti kifejezésb®l µ-t kapjuk, hogy

µ = −kBTc

[3ζ(

32

)4√π

(1− Tc

T

)]2

≈ −kBTc

[3ζ(

32

)4√π

]2(T

Tc− 1

)2

(626)

ahol felhasználtuk az 1 − 1/x ≈ x − 1 közelítést mely x ≈ 1 esetén igaz. Kapjuk tehát, hogy a kémiai potenciál Tc felettkvadratikusan csökken!

Alacsony dimenziós Bose-gáz nem kondenzál

A három dimenziós nem relativisztikus Bose-gáz esetén a részecskeszám zérus kémiai potenciál esetén egy véges értékhez tart.Az ebb®l adódó koncepcionális paradoxon magyarázata, hogy egy kritikus h®mérséklet alatt a részecskék jelent®s hányada azérus impulzusú állapotba kondenzál.

57

Page 58: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

Vizsgáljuk meg az N(µ) kifejezés viselkedését általánosabb esetben! Korábban (613) láttuk, hogy általános Bose-gáz eseténa részecskeszám

N = AΓ

(d

ν

)eβµ

βdν

∑l=0

eβµl

(l + 1)dν

(627)

alakot ölti. A kondenzációhoz szükséges általános feltétel tehát, hogy az összeg véges legyen zérus kémiai potenciál esetére! Eza feltétel nyilván valóan teljesül ha d

ν > 1! Egy illetve két dimenziós nem relativisztikus gáz esetén dν = 1 illetve d

ν = 12 ! Azaz

ezekben az esetekben az összeg µ = 0 -ra minden határon túl n®! Azaz alacsony dimenziós nem relativisztikus rendszerekbennincs Bose-kondenzáció.

58

Page 59: Statisztikus Fizika Gyakorlat - ELTE

IX. rész

Kölcsönható rendszerek

30. Egy dimenziós Ising-model

Vizsgáljunk két állapotú klasszikus spinek Si = ±1 egy dimenziós rendszerét. Legyen a rendszer véges és rendelkezzen szabadperemfeltétellel.

H = −J∑〈ij〉

SiSj (628)

A kanonikus állapotösszegZ =

∑Si

eκS1S2 . . . eκSN−1SN , κ = βJ (629)

Vegyük észre, hogy ha az egyik végen lév® spin-re elvégezzük az összeget akkor az a mellette lév® spin értékét®l függetlenül ugyanazt a járulékot fogja adni! ∑

SN=±1

eκSN−1SN = 2 coshκ. (630)

Kapjuk tehát, hogyZN = 2 coshκZN−1. (631)

Figyelembe véve, hogyZ1 = 2, (632)

a teljes rendszer állapotösszegeZN = 2 (2 coshκ)

N−1. (633)

Határozzuk meg a rendszer korrelációs függvényét! Azaz az 〈SiSj〉 várhatóértéket! Ehhez el®ször tegyük fel, hogy a κ csatolásnem homogén hanem minden párra külön külön értékeket vehet fel! Ekkor

Z = 2NN∏p=1

coshκp. (634)

Az állapotösszeg deníciójából nyilvánvaló, hogy

1

Z

∂nZ

∂κi∂κi+1 . . . ∂κi+n−1=

⟨Si

1︷ ︸︸ ︷Si+1Si+1 Si+2Si+2︸ ︷︷ ︸

1

Si+3 . . . Si+n−1Si+n

⟩= 〈SiSi+n〉 (635)

Vegyük észre, hogy tetsz®leges két spin korrelációs függvénye tehát kifejezhet® a fenti derivált segítségével! A deriváltat viszontközvetlenül is elvégezhetjük az állapotösszeg (634) kifejezésén!

1(2N∏Np=1 coshκi

) ∂n

∂κi∂κi+1 . . . ∂κi+n−1

(2N

N∏p=1

coshκi

)=

i+n−1∏p=i

sinhκicoshκi

=

i+n−1∏p=i

tanhκi. (636)

Visszaállítva a rendszer homogenitását, azaz κi = κ esetén,

〈SiSi+n〉 = tanhn κ = en ln tanhκ. (637)

Mivel tanhκ < 1ezért a logaritmus el®jele mindig negatív!

〈SiSi+n〉 = e−an|ln tanhκ|

a = e−anξ (638)

Ahol bevezettük a korrelációs hosszt mintξ =

a

|ln tanhκ|, (639)

illetve a egy a rendszerre jellemz® hossz mennyiség (pl. a spinek közötti távolság a valós térben). Ha az alacsony h®mérséklet¶viselkedést vizsgáljuk akkor β →∞, κ→∞, tanhκ→ 1, ln tanhκ→ 0 tehát ξ →∞.

59