Termometr z obsad: poprawka na degenerację poziomu
Dwa poziomy o degeneracjach g₀ = 1 i g₁ = 2 dzieli energia Δ, przy czym Δ/kB = 240 K. Rzeczywisty stosunek liczby ośrodków na górnym i dolnym poziomie wynosi 0,40. Zakładamy równowagę. a) Wyznacz T. b) Jaką temperaturę otrzyma ktoś, kto pominie degenerację? c) Czy stosunek równy 2,2 da się opisać tym samym modelem przy dodatniej temperaturze?
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Przed logarytmowaniem podziel stosunek obsad przez g₁/g₀. Znak logarytmu powinien dawać dodatnią temperaturę dla danych z punktu a.
Rozwiązanie
Obliczamy wagę pojedynczego górnego stanu
Stosunek obsad poziomów zawiera dwa górne stany. Równanie ma więc postać 0,40 = 2 exp(−240 K/T), czyli exp(−240 K/T) = 0,20. Logarytm naturalny daje −240 K/T = ln 0,20 = −ln 5.
T=\frac{240\,\mathrm K}{\ln5}\approx149{,}12\,\mathrm K.
Sprawdzenie: przy tej temperaturze pojedynczy wyższy stan ma 1/5 wagi dolnego, więc oba razem mają 2/5 = 0,40. Logarytmujemy liczbę bezwymiarową, a jednostka kelwina pozostaje z Δ/kB.
Skutek pominięcia dwóch stanów
Błędne równanie 0,40 = exp(−240 K/T) prowadzi do T = 240 K/ln 2,5 ≈ 261,93 K. To zawyżenie o około 112,8 K. Większą obsadę, częściowo pochodzącą z większej liczby stanów, przypisano w całości ogrzaniu.
Sprawdzamy granicę wysokiej temperatury
Dla każdej dodatniej skończonej T czynnik exp(−240 K/T) jest mniejszy od 1, zatem stosunek poziomów musi być mniejszy od 2. Wynik 2,2 nie pasuje do tego modelu przy T > 0. Nie wystarczy nazwać go „bardzo wysoką temperaturą”. W rzeczywistym doświadczeniu trzeba zweryfikować równowagę, degeneracje i sposób wyznaczenia obsad; sam ten rachunek nie ustala przyczyny niezgodności.
Powiązana teoria
Rozkład Boltzmanna: prawdopodobieństwo stanu a obsada poziomu energii
Dalsza lektura
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto