Елементи квантової статистики і фізики твердого тіла

Обчислити максимальну енергію EF (енергію Фермі), яку можуть мати вільні електрони в металі (мідь) при температурі Т = 0 К. Прийняти, що на кожен атом міді припадає по одному валентному електрону.

Рішення. Максимальна енергія EF. яку можуть мати електрони в металі при Т = 0 К, пов'язана з концентрацією вільних електронів співвідношенням

Концентрація вільних електронів за умовою задачі дорівнює концентрації атомів, яка може бути знайдена за формулою

де - щільність міді; NА постійна Авогадро; М - молярна маса. Підставляючи вираз (2) у формулу (1), отримуємо

Провівши обчислення, отримаємо: EF = 1,2 # 8729; 10 -18 Дж = 7,4 еВ.

Кристалічний алюміній масою 10 г нагрівається від 10 до 20 К. Користуючись теорією Дебая, визначити кількість теплоти, необхідне для нагрівання. Характеристична температура Дебая для алюмінію дорівнює 418 К. Вважати, що умова виконується. М = 27 × 10 -3 кг / моль.

Рішення. Кількість теплоти, необхідне для нагрівання алюмінію від температури Т1 до Т2. будемо обчислювати за формулою

де m - маса алюмінію; с - його питома теплоємність, яка пов'язана з молярної теплоємністю співвідношенням с = Сm / М. З огляду на це, формулу (1) запишемо у вигляді

За теорією Дебая, якщо умова виконана, молярна теплоємність визначається граничним законом

де R = 8,31 Дж / (моль × К) - молярна газова стала; - характеристична температура Дебая; Т - термодинамічна температура. Підставляючи (3) в (2) і виконуючи інтегрування, отримуємо

Підставляючи числові значення, знаходимо Q = 0,36 Дж.

Використовуючи квантову теорію теплоємності Ейнштейна, обчислити питому теплоємність при постійному обсязі алюмінію при температурі Т = 200 К. характеристичні температуру Ейнштейна прийняти для алюмінію рівною 300 К.

Рішення. Питома теплоємність з речовини може бути виражена через молярну теплоємність СМ співвідношенням

де М - молярна маса. Молярна теплоємність при постійному обсязі по теорії Ейнштейна виражається формулою

Вираз для питомої теплоємності набуває вигляду

Провівши обчислення, отримаємо: з = 770 Дж / (кг # 8729; К).

Відповідь. з = 770 Дж / (кг # 8729; К).

Питома провідність кремнієвого зразка при нагріванні від температури t1 = 0 о С до температури t2 = 18 o С збільшилася в 4,24 рази. Визначити ширину забороненої зони кремнію.

Рішення. Питома провідність власних напівпровідників

де - постійна, характерна для даного напівпровідника; - ширина забороненої зони. Тоді відношення провідностей при двох температурах

Звідки висловлюємо шукану ширину забороненої зони

Обчислюючи, отримуємо = 1,1 еВ.

Чому дорівнює рухливість електронів в натрії при 0 o С, якщо електропровідність міді 0,23 # 8729, 10 8 1 / (Ом # 8729; м), а концентрація носіїв заряду 2,5 # 8729, 10 28 м -3.

Рішення. Рухливість електронів визначається як середня дрейфова швидкість, віднесена до одиниці напруженості електричного поля

де t - час релаксації. Так як . то. Обчислюючи, отримуємо 0,56 # 8729; 10 -2 м 2 / (В # 8729; с).

Відповідь. 0,56 # 8729; 10 -2 м 2 / (В # 8729; с).

Визначити середню енергію електрона в металі при абсолютному нулі температури.

Рішення. Повна енергія електронів в одиниці об'єму металу дорівнює

З урахуванням того, що концентрація електронів пов'язана з рівнем Фермі співвідношенням

Повна енергія дорівнює

Середня енергія електрона дорівнює