آمار فرمی-دیراک

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

آمار فرمی-دیراک یا آمار F-D بخشی از علم فیزیک است که توصیف کننده‌ی انرژی سامانه‌ای از تعداد زیادی ذره‌ی یکسان پیروی کننده از اصل طرد پاولی است. نام فرمی-دیراک پس از انریکو فرمی و پاول دیراک که هر دو به صورت جداگانه و هم‌زمان آن را کشف کرده بودند انتخاب شد.

آمار فرمی-دیراک در سامانه‌ای با تعادل دمایی، بر ذرات یکسان که گردش (اسپین) نیمه‌صحیح دارند اعمال می‌شود. همچنین فرض می‌شود که اندرکنش متقابل ذرات در این سامانه ناچیز است. این باعث می‌شود که بتوان این تعداد زیاد از ذرات را در وضعیت حالت پایه‌ی یک تک‌ذره توصیف کرد. نتیجه‌ی توزیع فرمی-دیراک بر روی این ذرات یعنی هیچ دو ذره‌ای نمی‌توانند حالت کوانتومی مشابه هم داشته باشند؛ که این نتیجه‌گیری تاثیر بزرگی بر روی ویژگی‌های سامانه دارد. از آنجایی که آمار فرمی-دیراک بر روی ذراتِ با گردش (اسپین) نیمه‌صحیح اعمال می‌شود، باید این ذرات را فرمیون خواند. این آمار بیشتر به الکترون‌هایی که خود فرمیون با گردش ۱/۲ اند اعمال می‌شود. آمار فرمی-دیراک خود زیرمجموعه‌ای از مکانیک آماری است و از اصول مکانیک کوانتوم پیروی می‌کند.

پیشینه[ویرایش]

قبل از معرفی آمار فرمی-دیراک در سال ۱۹۲۶ فهم برخی از جنبه‌های رفتار الکترون به دلیل حضور پدیده‌های به ظاهر متناقض بسیار مشکل بود.

توزیع فرمی-دیراک[ویرایش]

در سامانه‌ای با فرمیون‌های یکسان، تعداد متوسط فرمیون‌های با حالت تک‌ذره‌ی i در توزیع فرمی-دیراک به شکل زیر بیان می شود:

 \bar{n}_i = \frac{1}{e^{(\epsilon_i-\mu) / k T} + 1}

که k ثابت بولتزمن است، T دمای مطلق، \epsilon_i \ انرژی یک ذره منفرد در حالت i و \mu\ پتانسیل شیمیایی است. در 0=T، پتانسیل شیمیایی برابر با انرژی فرمی است. در حالتی که الکترون ها در یک نیمه هادی قرار دارند \mu\ را تراز فرمی می‌نامیم.

توزیع فرمی-دیراک زمانی جواب درست می‌دهد که تعداد فرمیون‌ها آنقدر زیاد باشد که تغییر \mu\ ناشی از اضافه کردن یک فرمیون قابل صرف نظر کردن باشد. از آنجایی که توزیع فرمی-دیراک از اصل طرد پاولی مشتق شده درنتیجه داریم: 0 <\bar{n}_i  <1[۱]

(برای بزرگ کردن عکس با نشانگر خود آن را انتخاب کنید.)

توزیع ذرات در انرژی[ویرایش]

توزیع فرمی-دیراک که در بالا ارائه شد، توزیع ذرات یکسان فرمیون را در انرژی تک ذره بیان می دارد حالتی که گویی تنها یک فرمیون می تواند آن حالت انرژی را داشته باشد. در نتیجه با استفاده از توزیع فرمی-دیراک می توان توزیع انرژی فرمیون‌های مشابه را چنان نشان داد که گویی بیش از یک فرمیون می تواند همان انرژی را داشته باشد.

تعداد متوسط فرمیون‌ها با انرژی \epsilon_i \ را می توان با ضرب  \bar{n}_i  \  توزیع فرمی-دیراک در  g_i \ (تعداد حالات با انرژی \epsilon_i \ ) بدست آورد:

 \begin{alignat}{2}
 \bar{n}(\epsilon_i) & = g_i \  \bar{n}_i \\
      & = \frac{g_i}{e^{(\epsilon_i-\mu) / k T} + 1} \\ 
\end{alignat}


وقتی که  g_i  \ge 2 \ باشد، امکان دارد که \ \bar{n}(\epsilon_i)> 1 زیرا بیش از یک حالت وجود دارد که می تواند توسط فرمیون‌های با انرژی \epsilon_i \ اشغال شود.

وقتی یک شبه زنجیره انرژی  \epsilon \ چگالی حالت  g( \epsilon ) \ دارد (به معنی تعداد حالات در یکای محدوده انرژی در یکای حجم)، تعداد فرمیونهای متوسط در یکای محدوده انرژی در یکای حجم برابر است با:

  \bar { \mathcal{N} }(\epsilon)  = g(\epsilon) \  F(\epsilon)


که F(\epsilon) \ تابع فرمی نام دارد و همان تابعی است که در توزیع فرمی-دیراک   \bar{n}_i  مورد استفاده قرار می گیرد.

 F(\epsilon) = \frac{1}{e^{(\epsilon-\mu) / k T} + 1}

بنابراین

  \bar { \mathcal{N} }(\epsilon) = \frac{g(\epsilon)}{e^{(\epsilon-\mu) / k T} + 1} .

کوانتوم و نظام کلاسیک[ویرایش]

توزیع ماکسول-بولتزمن به عنوان تقریبی از آمار فرمی-دیراک برای مطالعه سیستم‌های فیزیکی که به اندازه کافی از حد تعیین شده توسط اصل عدم قطعیت هایزنبرگ فاصله دارند به دست می‌آید. شرایط کلاسیک که در آن آمار ماکسول-بولتزمان معتبر است، زمانی محقق می‌شود که فاصله‌ی متوسط میان دو ذره  \bar{R} ، خیلی بزرگتر از طول موج دوبروی  \bar{\lambda} باشد.

\bar{R} \ \gg \ \bar{\lambda} \ \approx \ \frac{h}{\sqrt{3mkT}}

در اینجا h ثابت پلانک و m جرم ذره‌ است. در مورد الکترون‌های هادی در یک فلز معمولی در دمای 300=T کلوین (دمای اتاق) سامانه همچنان از نظام کلاسیک دور است زیرا  \bar{R} \approx \bar{\lambda}/25 است. این مسئله از جرم کوچک الکترون و تمرکز زیاد الکترون‌های هادی (\bar{R}) در فلز است. بنابراین آمار فرمی-دیراک برای الکترون‌های هادی در فلز مورد نیاز است.

نمونه‌ی دیگری از سامانه‌های غیر کلاسیکی، الکترون‌های یک کوتوله‌ی سفید هستند. هر چند که دما در کوتوله‌ی سفید بسیار بالا است (حدود 10،000 کلوین در سطح آن) باز به دلیل تمرکز الکترون هادی در آن و جرم بسیار کوچک الکترون در نظام کلاسیک جای نمی‌گیرد و آمار فرمی-دیراک مورد نیاز است.

یادداشت

  1. Note that  \bar{n}_i is also the probability that the state i is occupied, since no more than one fermion can occupy the same state at the same time and 0 <\bar{n}_i  <1.
  2. (Kittel 1971, p. 245, Figs. 4 and 5)

منابع[ویرایش]

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «Fermi–Dirac statistics»، ویکی‌پدیای انگلیسی، دانشنامهٔ آزاد (بازیابی در ۸ آوریل ۲۰۱۱).

پیوند به بیرون[ویرایش]