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Modelo Cuánticos del Sólidos

Descripción

Una de las aplicaciones es el calculo de la función partición de un solido. Para ello se representa a través de una serie de osciladores armónicos mecánico cuánticos modelando en distintas formas los modos de oscilaciones de la estructura.

>Modelo

ID:(487, 0)



Modelo Cuánticos del Sólidos

Descripción

Una de las aplicaciones es el calculo de la función partición de un solido. Para ello se representa a través de una serie de osciladores armónicos mecánico cuánticos modelando en distintas formas los modos de oscilaciones de la estructura.

Variables

Símbolo
Texto
Variable
Valor
Unidades
Calcule
Valor MKS
Unidades MKS
$\beta$
beta
Beta
kg m/s
$\hbar$
hbar
Constante de Planck dividida por $2\pi$
J s
$\sigma$
sigma
Densidad de modos del solido
s
$\epsilon_r$
epsilon_r
Energía del estado $r$
J
$E_n$
E_n
Energía interna del solido mecánico cuántico
J
$V_0$
V_0
Energía macroscopica, deformación y constitución
J
$V_0$
V_0
Energía potencial de deformación macroscopica
J
$\omega_r$
omega_r
Frecuencia angular propia del oscilador armónico
rad/s
$Z$
Z
Función partición del solido clásico
-
$Z$
Z
Función partición del solido mecánico cuántico
-
$H$
H
Hamiltoneano del oscilador armónico
J
$\ln Z$
ln Z
Logaritmo de la función partición mecánico cuántico
-
$m$
m
Masa de la partícula
kg
$n_r$
n_r
Numero cuántico del oscilador armónico
-
$N$
N
Numero de partículas
-
$q_r$
q_r
Posición de la partícula r respecto del punto de equilibrio
J
$\dot{q}_r$
vq_r
Velocidad de la partícula r
m/s

Cálculos


Primero, seleccione la ecuación: a , luego, seleccione la variable: a

Símbolo
Ecuación
Resuelto
Traducido

Cálculos

Símbolo
Ecuación
Resuelto
Traducido

Variable Dado Calcule Objetivo : Ecuación A utilizar



Ecuaciones


Ejemplos

Un solido se puede describir como un sistema de part culas que forman una red y en que estas pueden oscilar en torno de un punto de equilibrio. La oscilaci n se asocia a la energ a interna y con ello a la temperatura de este.

Podemos asumir un modelo de un solido, en que cada part cula interactua con sus vecinos via campo efectivo con lo que se describe como que fuera y la energ a potencia se puede describir como la de un resorte.

En este caso el hamilitoneano de un solido se puede describir mediante list con lo que:

equation

En mec nica cu ntica se puede resolver en forma anal tica el problema del hamiltoneano de un oscilador arm nico con list=4800

equation=4800



lo que resulta en los estado de energ a r con list es de la forma

equation

Como la energ a del estado r es con list=4801

equation=4801



se tiene que la energ a total es con list

equation

El estado de m nima energ a con list=4802 de

equation=4802\\n\\nse obtiene si todos los osciladores est n en su estado fundamental, es decir\\n\\n

$n_r=0$

\\n\\ncon lo que la energ a se reduce a\\n\\n

$V_0+\displaystyle\frac{1}{2}\sum_{ r =1}^{3 N }\hbar\omega_r$



por lo que se puede introducir una energ a base que puede contener la energ a de deformaci n el stica. Con list

equation

Con la funci n partici n con list=3527

equation=3527



y la energ a del solido con list=4802

equation=4802



se obtiene la funci n partici n del solido con list

equation

en donde se uso la definici n de la energ a m nima

equation=3894

La expresi n de la funci n partici n con list=3895

equation=3895



puede ser re-escrita con list como

equation

En la expresi n con list=9499

equation=9499\\n\\ncada elemento del producto puede ser sumado ya que corresponde a una serie geom trica en un q=e^{-\beta\hbar\omega_r}:\\n\\n

$\displaystyle\sum_{n_r=0}^{\infty}e^{-\beta n_r\hbar\omega_r}\displaystyle\sum_{n_r=0}^{\infty}q^{n_r}=\displaystyle\frac{1}{1-q}=\displaystyle\frac{1}{1-e^{-\beta \hbar\omega_r}}$



por lo que el logaritmo de la funci n partici n es con list

equation

Si se toma el logaritmo de la funci n partici n de un solido con list=9500

equation=9500



se obtiene la expresi n con list

equation

Si se introduce una funci n \sigma(\omega) tal que \sigma(\omega)d\omega indica el n mero de modos que existen entre las frecuencias \omega y \omega+d\omega se puede pasar la suma sobre los 3N estados a una integral\\n\\n

$\displaystyle\sum_{r=1}^{3N}\rightarrow\displaystyle\int_0^{\infty}d\omega\sigma(\omega)$



con lo que el logaritmo de la funci n partici n con list=9501

equation=9501



se estima con list

equation

Con el paso discreto al continuo\\n\\n

$\displaystyle\sum_{r=1}^{3N}\rightarrow\displaystyle\int_0^{\infty}d\omega\sigma(\omega)$



la energ a m nima del solido con list=3894

equation=3894



se estima con list

equation

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