Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › Katıhal Fiziği I › Fononların Isısal Özellikleri · Isı Sığası

Katıların Isı Sığası: Einstein ve Debye Modelleri

Klasik eşbölüşüm her atomun 3 boyutlu salınımına $3k_BT$ enerji verir; böylece $C_V = 3Nk_B$ (Dulong–Petit) sabit olur. Deneyde ise $C_V$ düşük sıcaklıkta sıfıra gider. Bunun nedeni titreşim enerjisinin kuantumlu olmasıdır: ortalama fonon sayısı $\langle n\rangle = 1/(e^{\hbar\omega/k_BT}-1)$.

Einstein: tüm atomlar aynı frekansla titreşir ($\theta_E = \hbar\omega_E/k_B$): $$\frac{C_V}{3Nk_B} = \left(\frac{\theta_E}{T}\right)^2\frac{e^{\theta_E/T}}{(e^{\theta_E/T}-1)^2}$$ Debye: akustik fononlar $\omega = v_s k$ ile $\omega_D$'ye kadar uzanır, $g(\omega)\propto\omega^2$ ($\theta_D = \hbar\omega_D/k_B$): $$\frac{C_V}{3Nk_B} = 3\left(\frac{T}{\theta_D}\right)^3\int_0^{\theta_D/T}\frac{x^4e^x}{(e^x-1)^2}\,dx \;\xrightarrow{T\ll\theta_D}\; \frac{4\pi^4}{5}\left(\frac{T}{\theta_D}\right)^3$$

Metallerde elektron katkısı

İletim elektronları $C_\text{el} = \gamma T$ katkısı verir. Düşük sıcaklıkta $C = \gamma T + \beta T^3$ olduğundan $C/T$ – $T^2$ grafiği doğrudur: kesişim $\gamma$, eğim $\beta = \frac{12\pi^4}{5}\frac{Nk_B}{\theta_D^3}$.

Parametreler

Malzeme

Grafiğe tıklayarak bir sıcaklık seçin; hesap paneli o sıcaklıktaki değerleri ve Debye integralinin integrandını gösterir.

DebyeEinsteinDulong–Petit / T³ yasasıseçili T

Hesaplama

Bunu dene

1. Bakır için ($\theta_D = 343$ K) oda sıcaklığında (300 K) Debye modeli $C_V/3Nk_B$ için ne veriyor? Dulong–Petit yasası oda sıcaklığında bakır için iyi bir yaklaşım mı?

Açıklama
$T/\theta_D = 0.875$ için $C_V/3Nk_B \approx 0.94$; yani klasik değerin %94'ü. Molar ısı sığası $\approx 0.94 \times 24.9 = 23.4$ J/(mol·K). Dulong–Petit yaklaşık %6 fazla verir.

2. Elmas ($\theta_D = 2230$ K) için 300 K'deki değeri bulun. Neden elmas oda sıcaklığında "klasik" davranmaz?

Açıklama
$T/\theta_D = 0.135$ için $C_V/3Nk_B \approx 0.17$ (≈ 4.1 J/(mol·K)). Fonon enerjileri $k_BT$'ye göre büyük olduğundan yüksek frekanslı modlar "donmuştur".

3. Log–log görünüme geçin, $\theta_E = \theta_D$ alın ve $T = 0.05\,\theta$ civarında iki modeli karşılaştırın. Hangisi deneysel $T^3$ davranışını verir? Neden?

Açıklama
Debye eğrisi eğimi 3 olan bir doğru verir ($C \propto T^3$); Einstein eğrisi ise $e^{-\theta_E/T}$ ile çok daha hızlı düşer. Düşük sıcaklıkta yalnızca $\hbar\omega \lesssim k_BT$ olan uzun dalga boylu akustik fononlar uyarılabilir; Einstein modelinde bu düşük frekanslı modlar yoktur.

Katıhal Fiziği I dersindeki diğer simülasyonlar