Вырожденный газ


Вырожденный газ

Вырожденный газ — газ, на свойства которого существенно влияют квантовомеханические эффекты, возникающие вследствие тождественности его частиц. Вырождение наступает в условиях, когда расстояния между частицами газа становятся соизмеримыми с длиной волны де Бройля; в зависимости от спина частиц выделяются два типа вырожденных газов - ферми-газ, образованный фермионами (частицами с полуцелым спином) и бозе-газ, образованный бозонами (частицами с целым спином).

Содержание

Условия вырождения

Влияние тождественности частиц становится существенным при уменьшении средних расстояний между ними до расстояний, соизмеримых с длиной волны де Бройля, ассоциированной с частицей, то есть выполняется условие:

 \! N^{ - 1/3} \sim r \sim \lambda
где \! N — объемная концентрация частиц,
\! \lambda = h/{\left(mv \right) } - длина волны де Бройля частиц массы \! m, движущихся со скоростью \! v.

Условия вырождения выполняются при достаточно низкой температуре \! T (для идеального газа \! v \sim \sqrt T) и высокой концентрации частиц \! N.

Вырождение Ферми- и Бозе-газов

Зависимость давления вырожденного ферми-газа от температуры, сохранению состояния вырождения соответствует горизонтальная ветвь.

Тип вырождения различен для частиц с полуцелым спином (фермионов, статистика Ферми — Дирака) и частиц с целым спином (бозонов, статистика Бозе — Эйнштейна), соответственно различаются и свойства ферми- и бозе-газов.

Если для Ферми-газа вследствие действия принципа Паули давление вырожденного газа выше давления идеального газа в тех же условиях, то для вырожденного Бозе-газа давление ниже давления идеального газа вследствие конденсации Бозе — Эйнштейна.

У ферми-газа (к которому относится электронный газ в металле) при полном вырождении (при \! T = 0K) заполнены все нижние энергетические уровни вплоть до некоторого максимального, называемого уровнем Ферми, а все последующие остаются пустыми. Повышение температуры лишь незначительно изменяет такое распределение электронов металла по уровням: малая доля электронов, находящихся на уровнях, близких к уровню Ферми, переходит на пустые уровни с большей энергией, освобождая таким образом уровни ниже фермиевского, с которых был совершен переход.

При вырождении газа бозонов из частиц с отличной от нуля массой (такими бозонами могут быть атомы и молекулы) некоторая доля частиц системы должна переходить в состояние с нулевым импульсом; это явление называется Бозе — Эйнштейновской конденсацией. Чем ближе температура к абсолютному нулю, тем больше частиц должно оказаться в этом состоянии. Однако, системы таких частиц при понижении температуры до очень низких значений переходят в твёрдое или жидкое (для гелия) состояния, к которым неприменимо приближение идеального газа.

Для газа из бозонов нулевой массы, к которым относятся фотоны, температура вырождения равна бесконечности; поэтому фотонный газ всегда вырожденный, и классическая статистика к нему не применима. Фотонный газ является единственным вырожденным идеальным бозе-газом стабильных частиц. Однако Бозе-Эйнштейновской конденсации в нём не происходит, так как не существует фотонов с нулевым импульсом (фотоны всегда движутся со скоростью света).

Явление вырождения Ферми-газов играет важную роль в эволюции звёзд: так, давление электронного вырожденного газа уравновешивает тяготение в белых карликах, а давление нейтронного вырожденного газа уравновешивает тяготение в нейтронных звёздах.

См. также

Ссылки



Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Вырожденный газ" в других словарях:

  • Вырожденный газ —         газ, свойства которого существенно отличаются от свойств классического идеального газа вследствие квантовомеханического влияния одинаковых частиц друг на друга. Это взаимное влияние частиц обусловлено не силовыми взаимодействиями,… …   Большая советская энциклопедия

  • ВЫРОЖДЕННЫЙ ГАЗ — квантовый газ при температуре ниже вырождения температуры Тв. В идеальном вырожденном газе бозонов происходит Бозе Эйнштейна конденсация. Вырождение наступает, когда длина волны де Бройля, соответствующая энергии теплового движения частиц,… …   Большой Энциклопедический словарь

  • ВЫРОЖДЕННЫЙ ГАЗ — газ, св ва к рого отличаются от св в классического идеального газа вследствие взаимного квантовомеханич. влияния ч ц газа, обусловленного неразличимостью одинаковых ч ц в квантовой механике (см. ТОЖДЕСТВЕННОСТИ ПРИНЦИП). В результате такого… …   Физическая энциклопедия

  • вырожденный газ — квантовый газ при температуре ниже вырождения температуры Тв. В идеальном вырожденном газе бозонов происходит Бозе Эйнштейна конденсация. Вырождение наступает, когда длина волны де Бройля, соответствующая энергии теплового движения частиц,… …   Энциклопедический словарь

  • вырожденный газ — išsigimusios dujos statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. degenerate gas vok. degeneriertes Gas, n; entartetes Gas, n rus. вырожденный газ, m pranc. gaz dégénéré, m …   Fizikos terminų žodynas

  • ВЫРОЖДЕННЫЙ ГАЗ — газ, св ва к рого отличаются от св в классич. идеального газа одинаковых частиц вследствие взаимного квантовомеханич. влияния, обусловл. их неразличимостью в квантовой механике (см. Квантовая статистика). Вырождение газа начинается при охлаждении …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • ВЫРОЖДЕННЫЙ ГАЗ — квантовый газ при темп ре ниже температуры вырождения Гв. В идеальном В. г. бозонов происходит Бозе Эйнштейна конденсация. Вырождение наступает, когда длина волны де Бройля, соответствующая энергии теплового движения частиц, становится сравнимой… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • вырожденный — (вырожденный газ) …   Орфографический словарь русского языка

  • Газ — У этого термина существуют и другие значения, см. Газ (значения). Газ NO2 Газ (газообразное состояние) (от нидерл …   Википедия

  • ГАЗ — 1) ГАЗ (франц. gaz, от греч. chaos хаос) одно из агрегатных состояний в ва, в к ром его частицы не связаны или весьма слабо Связаны между собой мол. силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объём. При обычных давлениях и… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

Книги