Выраджаны газ

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці

Выраджаны газ - газ, на уласцівасці якога істотна ўплываюць квантавамеханічныя эфекты, якія ўзнікаюць з прычыны тоеснасці яго часціц. выраджэнне надыходзіць ва ўмовах, калі адлегласці паміж часціцамі газу становяцца сувымернымі з даўжынёй хвалі дэ Бройля; у залежнасці ад спіна часціц вылучаюцца два тыпу выраджаных газаў - Фермі-газ, утвораны ферміёнамі (часціцамі з паўцелым спінам) і Бозэ-газ, утвораны базонамі (часціцамі з цэлым спінам).

Умовы выраджэння[правіць | правіць зыходнік]

Уплыў тоеснасці часціц становіцца істотным пры памяншэнні сярэдніх адлегласцяў паміж імі да адлегласцяў, сувымерных з даўжынёй хвалі дэ Бройля, асацыяванай з часціцай. Гэта значыць, што выконваецца ўмова:

 \! N^{ - 1/3} \sim r \sim \lambda
дзе \! N — аб'ёмная канцэнтрацыя часціц.
\! \lambda = h/{\left(mv \right) } — даўжыня хвалі дэ Бройля часціц масы \! m, якія рухаюцца з хуткасцю \! v.

Умовы выраджэння выконваюцца пры досыць нізкай тэмпературы \! T (для ідэальнага газу \! v \sim \sqrt T) і высокай канцэнтрацыі часціц \! N.

Выраджэнне Фермі- і Бозэ-газаў[правіць | правіць зыходнік]

Залежнасць ціску выраджанага Фермі-газу ад тэмпературы, захаванню стану выраджэння адпавядае гарызантальная галіна.

Тып выраджэння розны для часціц з паўцелым спінам (ферміёнаў, статыстыка Фермі — Дзірака) і часціц з цэлым спінам (базонаў, статыстыка Бозэ — Эйнштэйна), адпаведна адрозніваюцца і ўласцівасці Фермі- і Бозэ-газаў.

Калі для Фермі-газу з прычыны дзеянні прынцыпу Паўлі ціск выраджанага газу вышэй ціску ідэальнага газу ў тых жа ўмовах, то для выраджанага Бозэ-газу ціск ніжэй ціску ідэальнага газу з прычыны кандэнсацыі Бозэ - Эйнштэйна.

У Фермі-газу (да якога належыць электронны газ у метале) пры поўным выраджэнні (пры \! T = 0K) запоўненыя ўсе ніжнія энергетычныя ўзроўні аж да некаторага максімальнага, званага узроўнем Фермі, а ўсе наступныя застаюцца пустымі. Павышэнне тэмпературы толькі нязначна змяняе такое размеркаванне электронаў металу па ўзроўнях: малая доля электронаў, якія знаходзяцца на узроўнях, блізкіх да ўзроўню Фермі, пераходзіць на пустыя ўзроўні з большай энергіяй, вызваляючы такім чынам ўзроўні ніжэй узроўня Фермі, з якіх быў здзейснены пераход.

Пры выраджэнні газу базонаў з часціц з масай, якая адрозніваецца ад нуля (такімі базонамі могуць быць атамы і малекулы) некаторая доля часціц сістэмы павінна пераходзіць у стан з нулявым імпульсам; гэта з'ява называецца бозэ - эйнштэйнаўскай кандэнсацыяй. Чым бліжэй тэмпература да абсалютнага нуля, тым больш часціц павінна апынуцца ў гэтым стане. Аднак, сістэмы такіх часціц пры паніжэнні тэмпературы да вельмі нізкіх значэнняў пераходзяць у цвёрды ці вадкі (для гелія) станы, да якіх непрыстасавальнае набліжэнне ідэальнага газу.

Для газу з базонаў нулявой масы, да якіх адносяцца фатоны, тэмпература выраджэння роўная бясконцасці; таму фатонны газ заўсёды выраджаны, і класічная статыстыка да яго не ўжываецца. Фатонны газ з'яўляецца адзіным выраджаным ідэальным бозэ-газам стабільных часціц. Аднак бозэ-эйнштэйнаўская кандэнсацыя ў ім не адбываецца, так як не існуе фатонаў з нулявым імпульсам (фатоны заўсёды рухаюцца з хуткасцю святла).

З'ява выраджэння Фермі-газаў гуляе важную ролю ў эвалюцыі зорак: так, ціск электроннага выраджанага газу ўраўнаважвае прыцягненне ў белых карлікаў, а ціск нейтроннага выраджанага газу ўраўнаважвае прыцягненне ў нейтронных зорках.

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]