Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › İstatistik Fizik › Fermi ve Bose Parçacıkları · Bose–Einstein Yoğuşması

Fermi ve Bose Parçacıkları: Bose–Einstein Yoğuşması

Büyük kanonik kümede $\varepsilon$ enerjili tek parçacık durumunun ortalama doluluğu, parçacıkların türüne göre

$$\langle n\rangle_{\text{FD}} = \frac{1}{e^{(\varepsilon-\mu)/kT}+1},\qquad \langle n\rangle_{\text{BE}} = \frac{1}{e^{(\varepsilon-\mu)/kT}-1},\qquad \langle n\rangle_{\text{MB}} = e^{-(\varepsilon-\mu)/kT}$$

olur. $(\varepsilon-\mu)\gg kT$ iken üçü de aynı klasik sonuca gider. Bozonlarda $\langle n\rangle \ge 0$ olması için $\mu < \varepsilon_0$ (en düşük seviye) olmalıdır.

Kutudaki ideal Bose gazında parçacık sayısı $n\lambda^3 = g_{3/2}(z)$ ($z = e^{\mu/kT}$, $\lambda = h/\sqrt{2\pi mkT}$) koşulundan bulunur. $g_{3/2}(z)$ en çok $g_{3/2}(1) = \zeta(3/2) = 2.612$ olabildiğinden, $T_c$'nin altında uyarılmış durumlar bütün parçacıkları alamaz; artakalan parçacıklar taban durumda toplanır:

$$kT_c = \frac{2\pi\hbar^2}{m}\left(\frac{n}{\zeta(3/2)}\right)^{2/3},\qquad \frac{N_0}{N} = 1 - \left(\frac{T}{T_c}\right)^{3/2}.$$
Polilogaritma fonksiyonları ve foton gazı

$g_\nu(z) = \sum_{k\ge1} z^k/k^\nu$. Enerji $E = \tfrac32 NkT\, g_{5/2}(z)/g_{3/2}(z)$ (T > T_c) ve $E = \tfrac32 kT\,V\lambda^{-3}\zeta(5/2)$ (T < T_c) ile verilir. Fotonlar ve fononlar için parçacık sayısı korunmadığından $\mu = 0$'dır; $\langle n\rangle = 1/(e^{\hbar\omega/kT}-1)$ Planck dağılımıdır (bkz. kara cisim ışıması).

Parametreler

Grafiğe tıklayarak bir $x = (\varepsilon-\mu)/kT$ değeri seçin. Üç dağılımın oranlarına ve klasik limite bakın.

Fermi–DiracBose–EinsteinMaxwell–Boltzmann

Hesaplama

Bunu dene

1. Doluluk modunda $x = (\varepsilon-\mu)/kT = 3$ noktasını seçin. FD ve BE dolulukları MB değerinden yüzde kaç farklı? $x = 0.1$'de durum nasıl?

Açıklama
$x = 3$'te MB $= e^{-3} = 0.0498$, FD $= 0.0474$ (%4.7 düşük), BE $= 0.0524$ (%5.2 yüksek): fark yaklaşık $e^{-x}$ kadardır, klasik limit iyi işler. $x = 0.1$'de MB $= 0.905$, FD $= 0.475$, BE $= 9.51$ olur; kuantum etkileri baskındır. Fermiyonlar Pauli ilkesi nedeniyle aynı duruma az, bozonlar ise "kalabalığa katılma" eğilimiyle çok yerleşir.

2. Kutudaki Bose gazında ısı sığasının en büyük değeri nerede ve ne kadardır? $T \gg T_c$'de hangi değere gider?

Açıklama
En büyük değer tam $T_c$'dedir: $C_V/Nk = \tfrac{15}{4}\zeta(5/2)/\zeta(3/2) = 1.926$. Bu noktada eğri sivri bir tepe yapar (türevi süreksizdir). Yüksek sıcaklıkta klasik değer $3/2$'ye iner. $T < T_c$'de $C_V \propto T^{3/2}$'dir.

3. ⁴He sıvısının yoğunluğu (145 kg/m³) için ideal Bose gazının $T_c$ değeri nedir? Deneysel λ-noktası 2.17 K ile karşılaştırın. Tuzak modunda $N = 10^6$, $\bar\omega/2\pi = 100$ Hz için $T_c$ kaç nK'dir?

Açıklama
$n = \rho/m = 2.18\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ ile $T_c = 3.14$ K bulunur. Gerçek değer 2.17 K'dir; aradaki fark helyum atomları arasındaki güçlü etkileşmeden gelir. Sıvı helyumda λ geçişi bir Bose yoğuşmasıdır, ama ideal gaz modeli yalnızca büyüklük mertebesini doğru verir. Tuzakta $kT_c = 0.9405\,\hbar\bar\omega N^{1/3}$ ile $T_c = 451$ nK bulunur; ⁸⁷Rb deneylerindeki değerler bu mertebededir.

İstatistik Fizik dersindeki diğer simülasyonlar