Distribuição de Fermi-Dirac

Documentos relacionados
Funções de distribuição quânticas

Programa de Pós-Graduação Processo de Seleção 2 0 Semestre 2008 Exame de Conhecimento em Física

O raio de um núcleo típico é cerca de dez mil vezes menor que o raio do átomo ao qual pertence, mas contém mais de 99,9% da massa desse átomo.

A energia cinética de um corpo de massa m, que se desloca com velocidade de módulo v num dado referencial, é:

Curso de Engenharia Mecânica Disciplina: Física 2 Nota: Rubrica. Coordenador Professor: Rudson R Alves Aluno:

Aula Teórica nº 8 LEM-2006/2007. Trabalho realizado pelo campo electrostático e energia electrostática

Desse modo, podemos dizer que as forças que atuam sobre a partícula que forma o pêndulo simples são P 1, P 2 e T.

Física 3. k = 1/4πε 0 = 9, N.m 2 /C Uma partícula, que se move em linha reta, está sujeita à aceleração a(t), cuja variação

Instituto de Física USP. Física Moderna I. Aula 09. Professora: Mazé Bechara

Desse modo, sendo E a energia de ligação de um núcleo formado por Z prótons e (A Z) nêutrons, de massa M(Z,A), pode-se escrever: E 2

Módulo II Resistores e Circuitos

Calor Específico. Q t

4.1 Sistema em contato com um reservatório térmico

Resolução da Prova 1 de Física Teórica Turma C2 de Engenharia Civil Período

v 4 v 6 v 5 b) Como são os corte de arestas de uma árvore?

Representação de Números no Computador e Erros

MESTRADO PROFISSIONAL EM ECONOMIA DO SETOR PÚBLICO

ANÁLISE DIMENSIONAL E SEMELHANÇA. Determinação dos parâmetros

a b TERMOLOGIA 1- Definição É o ramo da física que estuda os efeitos e as trocas de calor entre os corpos.

/ :;7 1 6 < =>6? < 7 A 7 B 5 = CED? = DE:F= 6 < 5 G? DIHJ? KLD M 7FD? :>? A 6? D P

ONDAS ELETROMAGNÉTICAS EM MEIOS CONDUTORES

Em cada ciclo, o sistema retorna ao estado inicial: U = 0. Então, quantidade de energia W, cedida, por trabalho, à vizinhança, pode ser escrita:

Projetos de um forno elétrico de resistência

DICAS PARA CÁLCULOS MAIS RÁPIDOS ARTIGO 03

Física A 1. Na figura acima, a corda ideal suporta um homem pendurado num ponto eqüidistante dos dois apoios ( A 1

Razão e Proporção. Noção de Razão. 3 3 lê-se: três quartos lê-se: três para quatro ou três está para quatro

CURSO de ENGENHARIA (MECÂNICA) VOLTA REDONDA - Gabarito

= 80s. Podemos agora calcular as distâncias percorridas em cada um dos intervalos e obtermos a distância entre as duas estações:

Derivada Escola Naval

λ, para x 0. Outras Distribuições de Probabilidade Contínuas

Proposta de Resolução do Exame Nacional de Física e Química A 11.º ano, 2011, 1.ª fase, versão 1

EXPRESSÕES LÓGICAS. 9.1 Lógica proposicional AULA 9

Dualidade e Complementaridade

Olimpíada Brasileira de Física a Fase. Prova para alunos de 3 o ano

Resoluções de Exercícios

ENERGIA CONCEITO. Ciências Físico-Químicas 8º ano de escolaridade. Ano letivo 2013/2014 Docente: Marília Silva Soares 1. Energia

3. Geometria Analítica Plana

PSICROMETRIA 1. É a quantificação do vapor d água no ar de um ambiente, aberto ou fechado.

Funções de distribuição quânticas

Funções de distribuição quânticas

3 Modelagem de motores de passo

ANÁLISE DAS TENSÕES ESTADO GERAL DE TENSÃO. Tensor de Tensões. σ ij = Tensões Principais

Aula 11 Mais Ondas de Matéria II

r = (x 2 + y 2 ) 1 2 θ = arctan y x

TERMODINÂMICA BÁSICA APOSTILA 02

Externalidades 1 Introdução

SISTEMA DE PONTO FLUTUANTE

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE FÍSICA FÍSICA III (FIM230) /1 GABARITO DA PROVA FINAL UNIFICADA DATA: 03/07/2009

Material Teórico - Módulo: Vetores em R 2 e R 3. Exercícios Sobre Vetores. Terceiro Ano - Médio

Curso de Engenharia Química Disciplina: Física 2 Nota: Rubrica. Coordenador Professor: Rudson R Alves Aluno:

LISTA DE EXERCÍCIOS 4 GABARITO

Critérios de falha PROF. ALEXANDRE A. CURY DEPARTAMENTO DE MECÂNICA APLICADA E COMPUTACIONAL

ANÁLISE CUSTO - VOLUME - RESULTADOS

FUNÇÃO REAL DE UMA VARIÁVEL REAL

Expressão Semi-Empírica da Energia de Ligação

INSTITUTO DE MATEMÁTICA DA UFBA DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA LIMITES E DERIVADAS MAT B Prof a Graça Luzia

Faculdade de Engenharia. Óptica de Fourier OE MIEEC 2014/2015

Função do 2 o Grau. Uma aplicação f der emr

6. Moeda, Preços e Taxa de Câmbio no Longo Prazo


Definição de Termos Técnicos

FILTROS. Assim, para a frequência de corte ω c temos que quando g=1/2 ( )= 1 2 ( ) = 1 2 ( ) e quando = 1 2

VI - ANÁLISE CUSTO - VOLUME - RESULTADOS

Eletromagnetismo. Paramagnetismo dos Materiais

hc m 6, ms cin máx 2 max max φ =1,85eV = 2,96.10 J 5-1 q(c) V(V) = E(J) 1 ev = 1q(C) V = 1, CV = 1, J -19 a) E Como

RI406 - Análise Macroeconômica

2 x. ydydx. dydx 1)INTEGRAIS DUPLAS: RESUMO. , sendo R a região que. Exemplo 5. Calcule integral dupla. xda, no retângulo

DEPARTAMENTO DE FÍSICA PLANO ANALÍTICO DA DISCIPLINA DE FISICA MOLECULAR E TERMODINAMICA E LAB DE FMT

Guias de ondas de seção transversal constante

O esquema abaixo representa a distribuição média dos elementos químicos presentes no corpo humano.

Módulo II Resistores, Capacitores e Circuitos

ANÁLISE MATEMÁTICA IV FICHA SUPLEMENTAR 2. < arg z < π}.

E X A M E ª FASE, V E R S Ã O 1 P R O P O S T A D E R E S O L U Ç Ã O

Adriano Pedreira Cattai

Processo Avaliativo TRABALHO - 1º Bimestre/2017 Disciplina: Física A 2ª série EM A Data: Nome do aluno Nº Turma

Capítulo 4 Resposta em frequência

Teoria de bandas nos sólidos

Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha Curso de Eletrônica Eletrônica de Potência Prof. Irineu Alfredo Ronconi Junior

Hewlett-Packard CONJUNTOS NUMÉRICOS. Aulas 01 a 06. Elson Rodrigues, Gabriel Carvalho e Paulo Luiz Ramos

RESUMO de LIMITES X CONTINUIDADE. , tivermos que f(x) arbitr

Cálculo de Autovalores, Autovetores e Autoespaços Seja o operador linear tal que. Por definição,, com e. Considere o operador identidade tal que.

COLÉGIO OBJETIVO JÚNIOR

UFJF ICE Departamento de Matemática Cálculo I Terceira Avaliação 03/12/2011 FILA A Aluno (a): Matrícula: Turma: x é: 4

Atrito Fixação - Básica

Fenômenos de adsorção em interfaces sólido/solução. Fenômenos de adsorção em interfaces sólido/solução

, ou seja, 8, e 0 são os valores de x tais que x e, Página 120

Forças de van der Waals. Henrique Fleming 15 junho 2007

INTRODUÇÃO À ESTATÍSTICA

Prova de Conhecimentos de Química Curso de Doutorado CADERNO DE QUESTÕES

Índice. Introdução. Pré-requisitos. Requisitos. Dispositivos suportados

Enunciados equivalentes

Modelagem Matemática de Sistemas Elétricos. Analogias Eletromecânicas

Resoluções dos exercícios propostos

Campo elétrico. Antes de estudar o capítulo PARTE I

10. EXERCÍCIOS (ITA-1969 a ITA-2001)

Prova Escrita de Matemática A 12. o Ano de Escolaridade Prova 635/Versões 1 e 2

Experiência n 2 1. Levantamento da Curva Característica da Bomba Centrífuga Radial HERO

Cálculo Numérico. Integração Numérica. Prof: Reinaldo Haas

Equilíbrio Térmico. é e o da liga é cuja relação com a escala Celsius está representada no gráfico.

Dinâmica Longitudinal do Veículo

Transcrição:

Distribuição d rmi-dirac Vamos inicialmnt lmbrar as caractrísticas d uma colção d férmions: n( ) α + α nrgia d rmi NC 076 - ísica Modrna f D () - Limits d validad da distribuição d Maxwll-Boltzmann: λ << d (distância intrmolcular muito maior qu o comprimnto d onda d D Brogli). ( πm ) h m / V N h << ou, << / N V ( m ) α V α h N h N ( ) / πm V -α << para qu a função d distribuição d Boltzmann possa sr usada. +

Caso d mol d H m CNTP: xrcício α 0 Caso d - d condução m um fio d cobr. N V 8,5 0 8 particulas/m α 4000 Boltzmann NC 076 - ísica Modrna

Modlo d létrons livrs m um mtal Vamos considrar m um poço D (limits da rd cristalina) Númro d stados (caso antrior x, pois stados d spin m cada nívl): g( ) d 8πV (m h ) / / d Ocupação dos stados (distribuição d rmi): Dnsidad d stados f ( ), com α α / ( + ) / + ntão a ocupação dos stados d nrgia do gás d, fica: / / 8πV (m ) d n( ) f ( ) g( ) d ( ) / h + Normalização: s T 0 K stados populados só até f(), s < f() 0, s >. NC 076 - ísica Modrna m outras palavras, m T0K, todos os stados ntr o stado fundamntal a stão ocupados todos os stados acima d stão vazios

S o sistma contém N férmions, a é calculada prnchndo os stados m ordm crscnt d nrgia, 0 até a nrgia ocupada pla N-ésima partícula.0 0.8 / X 0.6 g() 0.4 0. N 0.0 0.0 0. 0.4 0.6 0.8.0 / / 8πV (m ) d n( ) f ( ) g( ) d ( ) / h + Assim: / 8πV (m ) n( ) d h 0 0 / (0) h 8m N πv / d NC 076 - ísica Modrna 6πV (m h xprssão dfin m T 0 K f(), s < f() 0, s >. ) / / 4

/ h N h ρ ( 0) 8m πv 8m π / com ρ N/V. xclnt aprox. para << f D () - - + f D () Vmos ntão qu, à mdida qu mais partículas são adicionadas ao sistma, crsc. S a tmpratura stivr ligiramnt acima d 0 K, dixa d sr a nrgia do último stado ocupado é dfinida como a nrgia m qu n() ½; à mdida qu T aumnta, diminui. Para tmpraturas suficintmnt altas, 0, implicando qu todos os stados, a probabilidad d ocupação inicia m ~/ cai como Boltzmann. Mas nss caso xtrmo, somm os fitos quânticos. NC 076 - ísica Modrna 5

m rsumo: m T0 os férmions ocupam o nívl d nrgia mais baixo disponívl para ls, mas ls não podm star todos nst nívl (princípio d Pauli). Os férmions ocuparão os nívis d nrgia disponívis até uma nrgia particular (nrgia d rmi). Com o aumnto da tmpratura a partir d T0, mais mais férmions podrão ocupar nívis mais altos. Para valors d T>0 tm-s uma pquna probabilidad da agitação térmica mandar o férmion para uma nrgia maior qu. T0 T>0 TT /k T>T NC 076 - ísica Modrna 6

A nrgia total do sistma, m T 0 K, é: Mas / 8πV (m ) n( ) d h 0 N 6πV (m ) / h 0 / d 5 / N 6πV (m 5h Notm qu, msmo m T 0 K, o último férmion adicionado, aqul com nrgia, tm vlocidad dada por: mv v m ) / 5/ (0) No caso d - d condução m um mtal típico ( ~ 5 V) a vlocidad d rmi é da ordm d 0 6 m/s (a 0 K!). A tmpratura d rmi é dfinida como: T /k. NC 076 - ísica Modrna 7

Parêntss trmodinâmico Lmbrando d dos limits d validad da distribuição d Maxwll-Boltzmann: λ << d. Sndo λ o comprimnto d onda d D Brogli da partícula. Podmos ntão dfinir o comprimnto d onda térmico d D Brogli, como aqul associado ao momnto médio d uma partícula m quilíbrio térmico no sistma, cuja nrgia cinética é /: λ h πm Considrmos um sistma com um númro grand d partículas, com nrgia total, m quilíbrio térmico à tmpratura T. Suponhamos qu ss sistma sja um gás qu l sja comprimido, lntamnt, rduzindo su volum m dv. Isso provoca um aumnto nos nívis d nrgia, pois diminuímos o tamanho da caixa. Assim, um nívl ε i passa a ε i + dε i as partículas nss stado ganham nrgia dε i. O ganho total do sistma srá: d n dε ss ganho d nrgia vio do trabalho ralizado para i i i comprimir o sistma. S uma das arstas do cubo for rduzida d dl por uma força, trmos: dw dl. NC 076 - ísica Modrna 8

A força é ncssária para s opor à prssão do gás. Assim, PA. Substituindo na xprssão do trabalho: dw PAdL PdV. Como o trabalho dv sr igual ao aumnto d nrgia do sistma, tmos: PdV d n idε i P i i n NC 076 - ísica Modrna i dε i dv Os nívis d nrgia d uma caixa cúbica são dados por: ( ) π h / ε n nn n + n + n ε C V i i ml / / dε i dciv 5/ CiV ε i Assim: CiV dv dv V V Dssa forma, para um gás idal, sja l clássico, frmiônico ou bosônico, tmos: dε i P ni niε i dv V i i V ond é a nrgia total média do gás. No caso d um gás clássico (Boltzmann) a nrgia média, por partícula, é: ε 9

A nrgia total do sistma é: N ε PV N NC 076 - ísica Modrna nrt qu nos rmt à conhcida xprssão da li dos gass idais. Nós vimos qu as distribuiçõs quânticas s rduzm à clássica quando α é muito grand. Podmos scrvr as funçõs d distribuição como: f (ε) α ε ± α ± α ε ε com o sinal d cima valndo para férmions o d baixo para bósons. A distribuição d Boltzmann é obtida fazndo o dnominador igual a, o qu α é quivalnt a ε << Vamos tntar uma aproximação um pouco mlhor fazr uma xpansão binomial (para x << ): ± x m x + x L Nss caso a distribuição fica: f (ε) α ε m α ε + L A partir dss rsultado, sguindo um caminho um pouco trabalhoso, pod-s mostrar qu a li dos gass pod sr scrita como: 0

PV N λ N ± + L 5/ V No caso da nrgia média, por partícula, do sistma, tmos: ε N ± λ + L 5/ N V Substituindo o valor do comprimnto d onda térmico: ε N h ± + L 5/ N V ( ) / πm + férmions bósons Daí pod-s prcbr qu a nrgia média d um gás d férmions é um pouco suprior à d um gás idal, nquanto à d um gás d bósons é um pouco mnor. Valor do trmo d corrção é boa indicação da ncssidad, ou não, d s usar as distribuiçõs quânticas. S o trmo d corrção << a distribuição d Boltzmann ( os rsultados dcorrnts dla) são OK. NC 076 - ísica Modrna

Vimos qu a função distribuição n() para létrons é dscrita pla figura ao lado. o n o xato d - dpnd da tmpratura (forma da curva) qu muda com T. A nrgia total do sistma nos gás d rmi a qualqur tmpratura: n( ) d 0 8πV (m h ) / 0 / d + Sommrfild obtv na tmpratura ambint απ /4 Constant > A contribuição do gás d férmions (gás d létrons livrs) para o calor spcífico molar do sólido: c V d N k S voltarmos na tabla antrior vmos qu T ~0 4, portanto para T00K a contribuição dos létrons livrs do mtal para o c v do matrial é da ordm d 0 - R (qu é o valor mdido xprimntalmnt). ss valor é muito mnor qu a contribuição R qu vm das nrgias d oscilação dos átomos nos matriais não condutors qu forma a rd, ou dos íons dos matriais condutors da rd do sólido. - α A dt T NC 076 - ísica Modrna 5 N c αr V +αn T T

xrcício A) Cobr T 8.x0 4 K Us a toria d frmi para calcular a contribuição ltrônica ao calor spcífico molar do (a T9K) (Dê o valor m função d R) A) cobr B) prata T cv αr T com απ /4 c π 9 V R 0. 08R 4 8.x0 4 B) Prata T 6.6x0 4 K c π 9 V R 0. 0R 4 6.6x0 4 Vmos qu a contribuição ltrônica para o calor spcífico molar não é muito difrnt para sts condutors, mas é muito pquno comparado com R NC 076 - ísica Modrna

xrcício a) Calcul a nrgia d rmi para o Au a 0K b) Calcul a vlocidad d rmi para o Au a 0K c) Calcul a tmpratura d rmi para o Au a 0K A dnsidad do Au é 9. g/cm o pso molar é 97 g/mol. Assumindo qu cada átomo contribuiu com - livr para o gás d rmi n (9. g/cm x 6.0x0 létrons/mol) / (97 g/mol). n 5.9x0 8 létrons/m / / h N h ( 0) n 8m πv 8m π [(6.65x0-4 J.s) / (8*9.x0- kg)]*[*5.9x0 8 létrons/m) /.4)] 5.5 V / / 9 x5.85x0 J 6 v.9x0 m / s - m 9.x0 kg Assim um gás d partículas clássica tm qu sr aqucido a ~64000 K para tr 5.5V T 64000K uma nrgia média por partícula igual a 5 k 8.6x0 v / k nrgia d rmi a 0 K. NC 076 - ísica Modrna 4

létrons livrs m um mtal final Analisamos os - como férmions m uma caixa D (poço infinito). Sabmos, no ntanto, qu - são capazs d dixar o mtal (foto-létrico, missão trmiônica, tc.), portanto o poço tm uma profundidad finita. Sabndo qu a ocupação dos stados dv obdcr a uma distribuição d rmi qu os - d nrgia mais alta prcisam d W (função trabalho) para srm arrancados, podmos avaliar a profundidad do poço. S o poço tm profundidad V 0, os - d nrgia mais alta têm acima do fundo. São sss qu prcisam d W para srm arrancados. Assim: V 0 + W. Com ss modlo podmos ntndr fnômnos como o potncial d contato ntr mtais a missão trmiônica. NC 076 - ísica Modrna 5

Potncial d contato ntr mtais. Not qu não é (W B W A )/ Potncial d contato NC 076 - ísica Modrna 6

MQ átomos > < Moléculas moléculas sólidos núclos partículas Vamos tratar o caso das moléculas. pontos d vista: conjunto d núclos - ; associação d átomos. Abordagm corrta: combinação linar das duas, pois os átomos prdm algumas d suas caractrísticas, mas mantém muitas outras. Os - xtrnos mudam muito, mas os intrnos nada. orças intratômicas são ltromagnéticas os - xtrnos dominam os procssos. Os tipos mais importants d ligação molcular são: covalnt, iônica van dr Waals. Vamos comçar com a covalnt, tratando da molécula qu é, para a física molcular, o qu o átomo d H é para a física atômica: o sistma + H Nss caso, tmos um sistma bm simpls, com prótons -. Vamos usar a aproximação d Born- Oppnhimr, qu considra os núclos fixos, apnas os - s movimntam. NC 076 - ísica Modrna 7

A nrgia potncial prcbida plo - durant su movimnto é: nrgia do stado fundamntal do H Oprador nrgia cinética do - nrgias potnciais atrativas d cada um dos prótons A q. d Schrödingr para a autofunção ltrônica é dada por: k 4πε ε é um autovalor da nrgia do - rpulsão próton-próton, incluída como part da nrgia do - S tivéssmos apnas próton (potnciais dados plas linhas pontilhadas) tríamos átomo d H, cuja solução é conhcida. 0 NC 076 - ísica Modrna 8

A solução do problma rprsntado plo potncial dos prótons pod sr aproximado por uma combinação da autofunção para o - nas vizinhanças do próton m z R/ da autofunção para o - no potncial m z + R/. Mas xistm combinaçõs possívis: ψ + ( r) ψ s ( r R / ) + ψ s ( r + ψ ( r) ψ s ( r R / ) ψ s ( r + No caso do [ / ) ] R [ / ) ] R + H, R 0, nm. R NC 076 - ísica Modrna 9

ψ + ψ NC 076 - ísica Modrna 0

ψ ψ + NC 076 - ísica Modrna

Cálculo da nrgia d rmi NC 076 - ísica Modrna

h N α ( ) / πm V n N V α h N ( πm ) / V 4700 Boltzmann NC 076 - ísica Modrna