ФНГ / Физика / Еще один реферат "Закон кубов Дебая"
(автор - student, добавлено - 23-11-2011, 23:52)
Еще один реферат "Закон кубов Дебая"
СКАЧАТЬ: МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН АЛЬМЕТЬЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ИНСТИТУТ КАФЕДРА ФИЗИКИ Реферат на тему: «Закон кубов Дебая» Выполнил: студентгруппы Проверил:старший преподаватель Альметьевск 2011 Содержание ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………...……3 1. ТВЕРДЫЕ ТЕЛА………………………………………………………..5 2. ТЕОРИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ……………………..…9 3. ЗАКОН КУБОВ ДЕБАЯ………………………………….……………13 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………...……14 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………...………16 Введение Пе́терЙо́зефВильге́льмДеба́й (24 марта 1884, Маастрихт — 2 ноября 1966, Итака, США) — голландский физик, лауреат Нобелевской премии по химии за 1936 год. Биография По национальности голландец. Окончил Высшую техническую школу в Ахене (1905) и Мюнхенский университет (1910). Профессор в Цюрихе (1911 и 1920), Утрехте (1912), Гёттингене (1914), Лейпциге (1927), Берлине (1935). Директор Института физики имени кайзера Вильгельма в Берлине (1935). С 1940 профессор Корнеллского университета в Итаке. С 1924 года иностранный член АН СССР. Научная работа Основные направления научной деятельности: Теория теплоёмкостей твёрдого тела при низких температурах (модель Дебая). Теория теплопроводности диэлектрических кристаллов, понятие температуры Дебая. Понятие дебаевской длины, введённое в ходе изучения явлений электролиза. Дипольная теория диэлектриков. Метод Дебая — Шеррера для наблюдения интерференции рентгеновских лучей в кристаллических порошках и жидкостях. Также Дебаю принадлежит ряд работ по теории твёрдого тела, теории проводимости электролитов и др. Подозрения в сотрудничестве с нацистами В 2006—2007 гг. были опубликованы материалы о том, что Дебай симпатизировал режиму Гитлера[1][2], в частности, преследовал ученых еврейского происхождения и нередко заканчивал свои письма приветствием «Хайль Гитлер». В связи с этим университет Утрехта снял его имя со своего института физики и химии наноматериалов, а университет Маастрихта отменил ежегодную премию Дебая за достижения в области химической физики. В 2008 г. специально собранная комиссия под председательством зам. премьер-министра Нидерландов и министра экономики Я.-К. Терлува (TerlouwCommission) пришла к выводу[3], что Дебай не являлся членом НСДАП и коллаборационистом, и порекомендовала университетам продолжить использование имени учёного. Университет Утрехта вернул имя Дебая институту физики и химии (DebyeInstituteforNanoMaterialsScience); учредители премии имени Дебая также объявили о продолжении её присуждения. 1. Твердые тела. Структура кристаллов. Криста́ллы (от греч. κρύσταλλος, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку. Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов). Кристаллическая структура Кристаллическая структура, будучи индивидуальной для каждого вещества, относится к основным физико-химическим свойствам этого вещества. Кристаллическая решётка Составляющие данное твёрдое вещество частицы образуют кристаллическую решётку. Если кристаллические решётки стереометрически (пространственно) одинаковы или сходны (имеют одинаковую симметрию), то геометрическое различие между ними заключается, в частности, в разных расстояниях между частицами, занимающими узлы решётки. Сами расстояния между частицами называются параметрами решётки. Параметры решётки, а также углы геометрических многогранников определяются физическими методами структурного анализа, например методами рентгеновского структурного анализа. Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны ромбическая и моноклинная сера, графит и алмаз, которые являются гексагональной и кубической модификациями углерода, среди сложных веществ — кварц, тридимит и кристобалит представляют собой различные модификации диоксида кремния. Виды кристаллов Следует разделить идеальный и реальный кристалл. Идеальный кристалл Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани. Реальный кристалл Всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке. Анизотропия кристаллов Многим кристаллам присуще свойство анизотропии, то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных веществах (большинстве газов, жидкостей, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят. Процесс неупругого деформирования кристаллов всегда осуществляется по вполне определённым системам скольжения, то есть лишь по некоторым кристаллографическим плоскостям и лишь в некотором кристаллографическом направлении. В силу неоднородного и неодинакового развития деформации в различных участках кристаллической среды между этими участками возникает интенсивное взаимодействие через эволюцию полей микронапряжений. В то же время существуют кристаллы, в которых анизотропия отсутствует. В физике мартенситной неупругости накоплен богатый экспериментальный материал, особенно по вопросам эффектов памяти формы и пластичности превращения. Экспериментально доказано важнейшее положение кристаллофизики о преимущественном развитии неупругих деформаций почти исключительно посредством мартенситных реакций. Но принципы построения физической теории мартенситной неупругости неясны. Аналогичная ситуация имеет место в случае деформации кристаллов механическимдвойникованием. Значительные успехи достигнуты в изучении дислокационной пластичности металлов. Здесь не только понятны основные структурно-физические механизмы реализации процессов неупругой деформации, но и созданы эффективные способы расчёта явлений. Физические науки, изучающие кристаллы кристаллография изучает идеальные кристаллы c позиций законов симметрии и сопоставляет их с кристаллами реальными. структурная кристаллография занимается определением внутренней структуры кристаллов и классификацией кристаллических решеток. кристаллооптика изучает оптические свойства кристаллов. кристаллохимия изучает закономерности образования кристаллов из различных веществ и в разных средах. Вообще свойства реальных кристаллов — огромная научная отрасль, достаточно сказать, что все полупроводниковые свойства некоторых кристаллов (на основе которых создаётся точная электроника и, в частности, компьютеры) возникают именно за счет дефектов. Интересные факты Самые большие кристаллы были обнаружены в Пещере кристаллов в шахтовом комплексе Найка, в мексиканском штате Чиуауа[1]. Некоторые из найденных там кристаллов гипса достигают 15 метров в длину, а в ширину — 1 метр. А. Е. Ферсманом в начале XX века на Южном Урале описана каменоломня, заложенная в одном гигантском кристалле полевого шпата. 2. Теории теплоемкости твердых тел. Теплоёмкость тела (обычно обозначается латинской буквой C) — физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты δQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры δT: Единица измерения теплоёмкости в системе СИ — Дж/К. Удельной теплоёмкостью называется количество теплоты, которое необходимо для нагревания единичного количества вещества на один (1) градус. Количество вещества может быть измерено в килограммах, кубических метрах и молях. В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоёмкость, различают массовую, объёмную и молярную теплоёмкость. Теплоёмкость для различных состояний вещества Понятие теплоёмкости определено как для веществ в различных агрегатных состояниях (твёрдых тел, жидкостей, газов), так и для ансамблей частиц и квазичастиц (в физике металлов, например, говорят о теплоёмкости электронного газа). Если речь идёт не о каком-либо теле, а о некотором веществе как таковом, то различают удельную теплоёмкость — теплоёмкость единицы массы этого вещества и молярную — теплоёмкость одного моля его. Для примера, в молекулярно-кинетической теории газов показывается, что молярная теплоёмкость идеального газа с i степенями свободы при постоянном объеме равна: R = 8.31 Дж/(моль К) — универсальная газовая постоянная. А при постоянном давлении Удельные теплоёмкости многих веществ приведены в справочниках обычно для процесса при постоянном давлении. К примеру, удельная теплоёмкость жидкой воды при нормальных условиях — 4200 Дж/(кг К). Льда — 2100 Дж/(кг К) Теория теплоёмкости Существует несколько теорий теплоёмкости твердого тела: Закон Дюлонга-Пти и закон Джоуля-Коппа. Оба закона выведены из классических представлений и с определенной точностью справедливы лишь для нормальных температур (примерно от 15 °C до 100 °C). Сравнение моделей Дебая и Эйнштейна для теплоёмкости твёрдого тела Квантовая теория теплоёмкостей Эйнштейна. Первое применение квантовых законов к описанию теплоёмкости. Квантовая теория теплоёмкостей Дебая. Содержит наиболее полное описание и хорошо согласуется с экспериментом. Теплоёмкость системы невзаимодействующих частиц (например, газа) определяется числом степеней свободы частиц. Модель Дебая Дебай предложил модель существования непрерывного спектра частот (строго для низких частот, для тепловых колебаний - фононов) вплоть до некой максимальной. Функция распределения по частотам гармонических осцилляторов имеет вид , cl, ct - скорости распространения продолных и поперечных волн колебаний. При частотах выше максимальной g = 0. Площади под двумя кривыми должны быть одинаковыми. Реально существует некоторый спектр частот, кристалнеизотропен (обычно этим пренебрегают и полагают скорости распостранения волн по направлениям одинаковыми). Может быть, что максимальная частота Дебая выше реально существующих, что следует из условия равенства площадей. Значение максимальной частоты определяется по условию, что полное число колебаний равно 3N (при этом пренебрегаем дискретностью энергии) и , с - скорость движения волны. Полагаем, что скорости cl и ct равны. Характеристическая температура Дебая QD = hnм / k. Введем х = hn/ kT. Средняя энергия колебаний тогда при максимальном хм = Q D/ T Второй член под интегралом даст Е нулевых колебаний Ео = (9/8)NkQD и тогда колебательная энергия кристалла Так как Uo и Еo не зависят от Т, то вклад в теплоемкость даст 2-й член в выражении для энергии. Введем функцию Дебая При высоких Т получим очевидное D(x) = 1. Дифференцируя по х, получим . При высоких Т предел CV = 3Nk, а при низких: . При малых Т верхний предел интегрирования стремится к бесконечности, E - Eo = 3Rp4T4/5QD3 и получим формулу для определения Cv при Т= 0: где .Получили Закон кубов Дебая. 3. Закон кубов Дебая Характеристическая темпе¬ратура Дебая зависит от плотности кри¬с¬талла и скорости распостранения колебаний (звука) в кристалле. Строго инте¬грал по Дебаю надо решать на ЭВМ. Характеристическая температура Дебая (Физ. энциклопедия) Na 150 Cu 315 Zn 234 Al 394 Ni 375 Ge 360 Si 625 A.У 157 342 316 423 427 378 647 Li 400 K 100 Be 1000 Mg 318 Ca 230 B 1250 Ga 240 As 285 Bi 120 Ar 85 In 129 Tl96 W 310 Fe 420 Ag 215 Au 170 Cd 120 Hg 100 Gd 152 Pr 74 Pt 230 La 132 Cr 460 Mo 380 Sn(белое) 170, (серое) 260 C(алмаз) 1860 Для оценки характеристической температуры Дебая можно пользоваться эмпири¬че¬с¬кой формулой Линдеманна: QD =134,5[Тпл/ (АV2/3)]1/2, здесь А - атомная масса ме¬тал¬ла. Для температуры Эйн¬штейна аналогично, но 1-ый множитель берут 100. Заключение Достижения Дебая Дебай – автор фундаментальных трудов по квантовой теории твердого тела. В 1912 он ввел представление о кристаллической решетке как об изотропной упругой среде, способной совершать колебания в конечном диапазоне частот (модель твердого тела Дебая). Исходя из спектра этих колебаний показал, что при низких температурах теплоемкость решетки пропорциональна кубу абсолютной температуры (закон теплоемкости Дебая). В рамках своей модели твердого тела ввел понятие характеристической температуры, при которой для каждого вещества становятся существенными квантовые эффекты (температура Дебая). В 1913 вышла одна из самых известных работ Дебая, посвященная теории диэлектрических потерь в полярных жидкостях. Примерно в это же время были опубликованы его работы по теории дифракции рентгеновских лучей. С изучением дифракции связано начало экспериментальной деятельности Дебая. Вместе со своим ассистентом П.Шеррером он получил рентгенограмму тонко измельченного порошка LiF. На фотографии были отчетливо видны кольца, получающиеся при пересечении рентгеновских лучей, дифрагировавших от случайно ориентированных кристалликов вдоль образующих конусов, с фотопленкой. Метод Дебая – Шеррера, или метод порошков, долгое время применялся в качестве основного при рентгеноструктурном анализе. В 1916 Дебай совместно с А.Зоммерфельдом применил условия квантования для объяснения эффекта Зеемана, ввел магнитное квантовое число. В 1923 объяснил эффект Комптона. В 1923 Дебай в соавторстве со своим ассистентом Э.Хюккелем опубликовал две большие статьи по теории растворов электролитов. Изложенные в них представления послужили основой теории сильных электролитов, получившей название теории Дебая – Хюккеля. С 1927 интересы Дебая сосредоточились на вопросах химической физики, в частности на изучении молекулярных аспектов диэлектрического поведения газов и жидкостей. Он занимался также исследованием дифракции рентгеновских лучей на изолированных молекулах, что позволило определить структуру многих из них. Основным объектом научных интересов Дебая во время его работы в Корнеллском университете стала физика полимеров. Он разработал метод определения молекулярного веса полимеров и их формы в растворе, основанный на измерении рассеяния света. Одна из последних его крупных работ (1959) была посвящена вопросу, чрезвычайно актуальному и сегодня, – изучению критических явлений. Среди наград Дебая – медали Х.Лоренца, М.Фарадея, Б.Румфорда, Б.Франклина, Дж.Гиббса (1949), М.Планка (1950) и др. Умер Дебай в Итаке (США) 2 ноября 1966. Дебай — выдающийся, представитель голландской науки — получил Нобелевскую премию по химии в 1936 г. Обладая исключительной разносторонностью, он внес большой вклад в развитие не только химии, но и физики. Эти заслуги принесли Дебаю большую известность; ему присвоили почетные звания Доктора наук более 20 университетов мира (Брюссельский, Оксфордский, Бруклинский, Бостонский и другие). Он был награжден многими медалями и премиями, в том числе Фарадея, Лоренца. Планка. С 1924 г. Дебай — чл.-корр. АН СССР. Список литературы 1. Бушманов Б.Н., Хромов Ю.А. Физики твёрдого тела. - М.,1993г. 2. ДетлафА.А.Курс физики. - М.,1996г. 3. Даниленко В.М. Что такое твёрдое тело? - Киев,1997г. 4. Китайгородский А.И. и Федин Э.И. Атомное строение и свойства твёрдых тел. - М.,1991г. Похожие статьи:
|
|