问题60175:计算给定费米能量值下铍和锂的简并温度之比。
希望:
需要找到铍和锂的简并温度之比。
为了解决这个问题,我们使用简并温度的公式:
kT_D = (3/4πn)^(1/3) * χ * (6π^2)^(2/3)
其中k是玻尔兹曼常数,T_D是简并温度,n是电子浓度,ħ是普朗克常数,π是Pi数。
电子浓度可以使用以下公式计算:
n = N/V = Zρ/m
其中 N 是原子数,V 是体积,Z 是每个原子的电子数,ρ 是密度,m 是原子质量。
对于铍 Z=4,ρ=1.85 g/cm^3,m=9.01*10^-28 g。
对于锂Z=1,ρ=0.53 g/cm^3,m=6.94*10^-23 g。
将数值代入公式,可得:
对于铍: n = 4 * 1.85 * 10^22 / (9.01 * 10^-28) = 8.28 * 10^28 m^-3 kT_D(Be) = (3/4π * 8.28 * 10^28)^(1 /3) * 1.054 * 10^-34 * (6π^2)^(2/3) = 3.48 * 10^4 K
对于锂: n = 1 * 0.53 * 10^22 / (6.94 * 10^-23) = 7.64 * 10^28 m^-3 kT_D(Li) = (3/4π * 7.64 * 10^28)^(1 /3) * 1.054 * 10^-34 * (6π^2)^(2/3) = 1.55 * 10^4 K
铍和锂的简并温度比:T_D(Be) / T_D(Li) = 3.48 * 10^4 / 1.55 * 10^4 ≈ 2.25
因此,铍的简并温度大约比锂的简并温度高2.25倍。
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简并温度是金属中的电子充满所有可用能级直至费米能级的温度。
对于铍,T = 0 K 时的费米能量为 EF = 10.8 eV 或 EF = 6.2*10^-19 J。对于锂,未标明费米能量。
变性温度的计算公式为:
T = (EF / k) * (3 * π^2 * n)^(2/3)
其中 k 是玻尔兹曼常数,n 是电子浓度。
对于铍,可以使用费米能级处的电子态密度 g(EF) = 3 * N / (2 * EF) 来估计电子浓度,其中 N 是每单位体积的原子数。铍的 N 值近似为 4.4*10^22 原子/cm^3。
使用给定的铍费米能量和电子浓度,可以计算简并温度。将数值代入公式,可得:
T(Be) = (10.8 eV / k) * (3 * π^2 * 4.4*10^22 cm^-3)^(2/3) ≈ 145400 K
T(Be) = (6.210^-19J/k) * (3 * π^2 * 4.410^22 厘米^-3)^(2/3) ≈ 16800 K
因此,铍的变性温度大约是锂的10倍。
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