Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

Podobné dokumenty
Tepelná vodivost pevných látek

Fyzika IV. g( ) Vibrace jader atomů v krystalové mříži

Termodynamika materiálů. Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

Vlastnosti pevných látek

Kovy - model volných elektronů

Kvantová mechanika - model téměř volných elektronů. model těsné vazby

Fyzika - Sexta, 2. ročník

Vlastnosti pevných látek

Vlastnosti pevných látek

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

Fyzika IV Dynamika jader v molekulách

Od kvantové mechaniky k chemii

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

E g IZOLANT POLOVODIČ KOV. Zakázaný pás energií

1 Tepelné kapacity krystalů

Voigtův model kompozitu

2. Elektrotechnické materiály

UČIVO. Termodynamická teplota. První termodynamický zákon Přenos vnitřní energie

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská. Příloha formuláře C OKRUHY

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů

4. Stanovení teplotního součinitele odporu kovů

Struktura a vlastnosti kovů I.

Praktikum III - Optika

elektrony v pevné látce verze 1. prosince 2016

TERMIKA II. Stacionární vedení s dokonalou i nedokonalou izolací; Obecná rovnice vedení tepla; Přestup a prostup tepla;

Fluktuace termodynamických veličin

1 Zatížení konstrukcí teplotou

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Tepelná kapacita = T. Ē = 1 2 hν + hν. 1 = 1 e x. ln dx. Einsteinův výpočet (1907): Soustava N nezávislých oscilátorů se stejnou vlastní frekvencí má

Základy vakuové techniky

Maturitní témata fyzika

KONSTITUČNÍ VZTAHY. 1. Tahová zkouška

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

A až E, s těmito váhami 6, 30, 15, 60, 15, což znamená, že distribuce D dominuje.

Téma: Dynamika - Úvod do stavební dynamiky

Atom vodíku. Nejjednodušší soustava: p + e Řešitelná exaktně. Kulová symetrie. Potenciální energie mezi p + e. e =

Maturitní otázky z předmětu FYZIKA

Neideální plyny. Z e dr dr dr. Integrace přes hybnosti. Neideální chování

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

12. Struktura a vlastnosti pevných látek

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Šíření tepla. Obecnéprincipy

TERMOMECHANIKA 1. Základní pojmy

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

13. Spektroskopie základní pojmy

Definice spojité náhodné veličiny zjednodušená verze

Úvod do laserové techniky

Daniel Franta. jaro Ústav fyzikální elektroniky, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita

Úvod do laserové techniky

Tento dokument je doplňkem opory pro studenty Přírodovědecké fakulty Univerzity Jana Evangelisty Purkyně.

Senzory průtoku tekutin

Dobývání znalostí. Doc. RNDr. Iveta Mrázová, CSc. Katedra teoretické informatiky Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

Energie, její formy a měření

Vybrané technologie povrchových úprav. Základy vakuové techniky Doc. Ing. Karel Daďourek 2006

Přednáška č. 5: Jednorozměrné ustálené vedení tepla

odpuzují, když je zmáčkneme příliš blízko k sobě. V této světě, stačí k tomu jen trocha fantazie a přemýšlení.

Kmity a mechanické vlnění. neperiodický periodický

Vlny v plazmatu. Narušení rovnováhy, perturbace se šíří prostorem => vlny Vlna musí být řešením příslušných rovnic plazmatu => módy

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Výroba tablet. Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob. Lisování tablet. POMOCNÉ LÁTKY (kluzné látky, rozvolňovadla) LÉČIVÉ LÁTKY

Mol. fyz. a termodynamika

Plyn. 11 plynných prvků. Vzácné plyny. He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Diatomické plynné prvky H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2

frekvence f (Hz) perioda T = 1/f (s)

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

LOGO. Struktura a vlastnosti pevných látek

Poznámky k Fourierově transformaci

6. Viskoelasticita materiálů

Výroba tablet. Lisovací nástroje. Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob. Lisování tablet. Horní trn (razidlo) Lisovací matrice (forma, lisovnice)

Výroba tablet. Fáze lisování. Lisovací nástroje. Typy tabletovacích lisů. Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob

Univerzita Karlova v Praze procesy II. Zuzana. funkce

6 PŘEDNÁŠKA 6: Stav kvantového systému, úplná množina pozorovatelných. Operátor momentu hybnosti a kvadrátu momentu hybnosti.

Detekce nabitých částic Jak se ztrácí energie průchodem částice hmotou?

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Profilová část maturitní zkoušky 2017/2018

Elektrické vlastnosti pevných látek

2. Statistický popis plazmatu

Maturitní témata profilová část

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

MAKROSVĚT ~ FYZIKA MAKROSVĚTA (KLASICKÁ) FYZIKA

Elektronová a absorpční spektroskopie, Vibrační spektroskopie (absorpční a Ramanova rozptylu)

8 Elasticita kaučukových sítí

Termomechanika 9. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Úloha 1: Vypočtěte hustotu uhlíku (diamant), křemíku, germania a α-sn (šedý cín) z mřížkové konstanty a hmotnosti jednoho atomu.

Teplota jedna ze základních jednotek soustavy SI, vyjadřována je v Kelvinech (značka K) další používané stupnice: Celsiova, Fahrenheitova

Úvod do vln v plazmatu

Měření teplotní roztažnosti

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenografie, RTG prášková difrakce

Kontraktantní/dilatantní

SIMULACE ŠÍŘENÍ NAPĚŤOVÝCH VLN V KRYSTALECH MĚDI A NIKLU

Hodnocení parametrů signálu AE při únavovém zatěžování tří typů konstrukčních materiálů. Vypracoval: Kolář Lukáš

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Molekulová fyzika a termika:

3.5.2 Kvantový rotátor

Transkript:

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek Atomy vázané v mřížce nejsou v klidu. Míru jejich pohybu vyjadřuje podobně jako u plynů a kapalin teplota.

- Elastické vlny v kontinuu neatomární povahy Longitudinální deformace tyčky v místě x v důsledku longitudinální vlny ε = du dx Mechanické napětí S A Hrana dx se posune v důsledku šíření vlny o du x dx x+dx du σ = F A Hookův zákon σ = Eε L Relativní prodloužení je úměrné mechanickému napětí E je Youngův modul pružnosti

Řešení elastické vlny - Newtonův zákon F = ma σ x + dx σ dx A = σ x dxa = ρadx 2 u t 2 σ = Eε Vlnová rovnice v 1D 2 u x 2 ρ E 2 u t 2 = 0 Rovnice postupné vlny ω = vq v = E ρ Rychlost šíření vlny i qx ωt u x, t = Ae E je Youngův modul pružnosti

ω = vq ω Disperzní závislost bez disperze! v = E ρ Odhad rychlosti zvuku a mřížkové složky tepelné vodivosti ω = vq Povolené hodnoty vlnového čísla q? v g = dω dq = v = konst. q Periodické hraniční podmínky u(x=0) = u(x=l) Deformace začátku tyčky je stejná jako jejího konce Pro vlnu (bez časové závislosti) z toho plyne i qx u x = Ae 1 = e iql

1 = e iql q = n 2π L Krok je 2π L Z periodické hraniční podmínky plynou povolené hodnoty vlnového čísla q. Když bude tyčka dostatečně dlouhá, bude se q měnit po malých krůčcích a budeme mít téměř kontinuální posloupnost vlnového čísla q. Naopak v případě tyčky velmi malých rozměrů budeme sledovat efekt kvantování q. Počet módů na dq (hustota stavů podle dq) dn(q) = L 2π dq Dále budeme potřebovat tzv. hustotu stavů g( ) (v d ) tak, aby integrál g( )d dával celkový počet módů. g( )d = L 2π dq

g( )d = L 2π dq d 2 (Pro + i směr) g( ) = L π 1 dω dq grupová = fázová rychlost rychlost pokud je v=konst. g( ) = počet vibračních módů na jednotkový frekvenční rozsah Federseil -q 0 dq q Pro 1D g( ) = L π Nezávisí na! 1 v v = E ρ g( ) d - 0 Pro 3D hustota stavů vibračních módů: i q r u = Ae g( ) = 3V Balkanski Wallis/132 Kittel/146 ω 2 2π 2 v 3 1 longitudinální a 2 transverzální módy pro zvolené q

Tepelná kapacita pevných látek - Původem tepelné kapacity je energie vibračního pohybu oscilujících atomů Každému atomu přísluší energie E = 6 x 1/2kT pro jeden směr (potenciální+ kinetická) Pro krystal o velikosti jednoho molu je celková energie E M = 3N A kt = 3RT c M = 3R = 25 JK -1 mol -1 tzv. Dulongův Petitův zákon. Pro všechny atomy nezávisle na jejich hmotnosti m!!! Jak se počítá pro pevné látky? Srovnej s kinetickou teorií plynů. E závisí na T ale ne na m částice!

c M = 3R = 25 JK -1 mol -1 platí poměrně dobře pro vysoké teploty, ale selhává při nízkých teplotách. 3R Dva modely c M Einsteinův model Debyeův model T Atomy v pevné látce považuje za nezávislé kvantové oscilátory. To je veliké zjednodušení a přibližně platí pouze pro optické fonony (relativní pohyb atomů v rámci elementární buňky) a nikoliv pro akustické fonony Pevnou látku považuje za kontinuum bez vnitřní struktury. Toto zjednodušení řeší stanovením minimální vlnové délky fononů. Dobře platí pro akustické fonony, ale nepostihuje optické. Oba modely předpovídají správně pokles c M k nule při T = 0K

Atomy v pevné látce považuje za nezávislé oscilátory s konstantní frekvencí ν a energii oscilátoru vyjadřuje pomocí kvantové mechaniky. Pro jednorozměrný oscilátor: Einsteinův model E n = n + 1 2 ħω Hladiny kvantového oscilátoru Průměrnou energii jednoho oscilátoru při dané teplotě získáme středováním Bose-Einsteinova statistika vyjadřuje pravděpodobnost obsazení daného stavu E n = e ħω ħω kt 1 E 3 E 2 E 1 E 0 Bez interakce ħω n 3 2 1 0

Energie jednoho molu oscilátorů E = 3N Aħω e ħω kt 1 Molární kapacita c M = de dt = 3N A k ħω kt e ħω kt 1 2 e ħω kt 2 Pokud je kt mohem větší než hω, kvantová povaha se smývá a c M se blíží jeho klasické hodnotě 3R. Pro velmi nízké teploty se však projevuje kvantová povaha v plné míře. Z fitování experimentálních hodnot c M =f(t) lze vypočítat Einsteinovu frekvenci a teplotu ω E odpovídá průměrné frekvenci oscilátoru c M θ E = ħω E k vyjadřuje frekvenci v jednotkách teploty T

Debyeův model Atomy v pevné látce považuje za oscilátory spojené určitou vazbou. To vede ke vzniku kolektivních oscilací (módů). Nemáme zde jedinou frekvenci E ale velké množství módů až po určitou maximální frekvenci. Podle této teorie lze všem přiřadit stejnou grupovou rychlost a to rychlost zvuku υ z. ω = υ z q Každý mód je zde ekvivalentní jednomu lineárnímu harmonickému oscilátoru o energii E n = ħω e ħω kt 1 q= 2π λ Celková energie všech módů mřížky S interakcí E = E( )g( )d Předpokládáme, že se mění spojitě

E = E = E( )g( )d 3V 2π 2 ν 3 ω 0 Nyní musíme najít meze integrálu : ω ω 2 ħω e ħω kt 1 d g( ) = 3V ω 2 2π 2 v 3 1) spodní mez 0 = 0 -odpovídá skutečnosti 2) horní mez = -neodpovídá skutečnosti ω D = υ z q D = υ z 2π λ D Nejkratší vlnová délka, která má fyzikální smysl: λ D Celkový počet módů = celkový počet stupňů volnosti: 3N = ω D = υ z 0 ω Dg(ω)d 6π 2 N V 1 3

c M = E = 3V 2π 2 ν 3 0 3V ħ 2 ω D 2π 2 ν 3 kt 2 0 c M = 9R T θ D 3 0 x D ω D ħω 3 e ħω kt 1 ω 4 e ħω kt e ħω kt 1 x 4 e x e x 1 2 dx dω 2 dω T ħω kt =x Poznámka: θ D = ħω D k ~ υ z 6π 2 N V 1 3 ~ E ρ ~ E M diamant vs. olovo Be=1440K, C=2230K, Si=645K, Pb=105K ρ = N V M

Analýza Debyeovy závislosti c M c M = 9R T θ D 3 0 x D x 4 e x e x 1 2 dx pro T θ D Stačí, když D 0,5 e x 1 + x 0 x D x 4 e x x Dx 2 dx e x 1 2 dx 0 Pro všechny oscilátory platí E=3kT E=3kTN A c M =3R c M = 3R + 0 x D x 3 dx pro T θ D x D 0 x 4 e x e x 1 2 dx = 4π4 15 Pouze dlouhé vlny lineární disperze c M = 12π4 5 R T θ D 3 ~T 3!!!

pro T θ D Je třeba uvažovat, že hustota stavů nesplňuje teoretický předpoklad g( ) 3V ω 2 2π 2 v 3 Dvě možnosti Proměnná Debyeova teplota Každou hodnotu c M v závislosti na její teplotě fitujeme Debyeovým modelem tak, že pro danou teplotu získáme konkrétní hodnotu Debyeovy teploty Experimentální hustota stavů Z neutronové difrakce nalezneme experimentální hustotu stavů v závislosti na frekvenci g( ) g( ) D E = E( )g exp ( )d 0

Modelovat průběh specifického tepla je lépe popisovat kombinací Einsteinova a Debyeova modelu. Jak uvidíme později, např. 3N módů lze rozdělit na 1N akustických (= akustická větev) a 2N optických (=optické větve) Akustické módy (především delší vlny) lze lépe aproximovat D. přiblížením Optické módy lze lépe aproximovat E. přiblížením c M = c D + 2c E Pokud je v elementární buňce M atomů je třeba násobit počet větví číslem M. Pokud vezmeme ještě v úvahu anharmonicitu c M = M i=1 c D 2M 1 α i T + j=1 c E 1 α j T

Dosud jsme se zabývali je harmonickými oscilátory. S rostoucí teplotou se však stále více částic dostává do stavu nelineárních (anharmonických) oscilací. To má za následek řadu efektů. 1) Teplotní roztažnost 2) Difuze částic 3) Redukci tepelné vodivosti kvůli rozptylu fononů (klesá volná dráha fotonů, viz. kinetická teorie tepelné vodivosti) 4) c M 3R pro T D