Modern Fizik · 8. Ünite: İstatistiksel Fizik

Maxwell-Boltzmann Dağılımı

Bir gazın içindeki $10^{25}$ molekülün her birinin hızını izlemek imkânsızdır; ama hızların *dağılımı* çok kesin bir yasaya uyar. Bu konuda Boltzmann çarpanından yola çıkarak Maxwell-Boltzmann hız ve enerji dağılımlarını türetecek, karakteristik hızları ($v_{mp}$, $\langle v\rangle$, $v_{rms}$) hesaplayacak ve bu klasik dağılımın hangi koşulda geçerli olduğunu (nλ³ ≪ 1) göstereceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Hızlar Rastgele, Dağılım Kesin

  2. Boltzmann Çarpanı ve Mikrodurum Olasılığı

  3. Maxwell Hız Dağılımının Türetilmesi

  4. Karakteristik Hızlar: $v_{mp}$, $\langle v\rangle$, $v_{rms}$

  5. Enerji Dağılımı ve Eşbölüşüm Teoremi

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Geçerlilik Koşulu ve Sınır Durumları

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Boltzmann çarpanı (Boltzmann factor)
Isıl dengedeki bir sistemin $E$ enerjili mikrodurumda bulunma olasılığını belirleyen $e^{-E/kT}$ çarpanı.
Mikrodurum (microstate)
Sistemin tüm parçacıklarının ayrıntılı kuantum (ya da klasik) durumunu belirleyen tek bir tanım.
Maxwell hız dağılımı
İdeal gaz moleküllerinin hız büyüklüğü olasılık yoğunluğu $f(v)=4\pi(m/2\pi kT)^{3/2}v^2e^{-mv^2/2kT}$.
En olası hız (most probable speed)
$f(v)$'nin tepesine karşı gelen hız: $v_{mp}=\sqrt{2kT/m}$.
Karekök-ortalama-kare hız (rms speed)
Hız karesinin ortalamasının karekökü, $v_{rms}=\sqrt{3kT/m}$; ortalama kinetik enerji ile $\tfrac12mv_{rms}^2=\tfrac32kT$ bağıntısını verir.
Eşbölüşüm teoremi (equipartition theorem)
Klasik dengede enerjiye karesel katkı veren her serbestlik derecesinin ortalama enerjisi $\tfrac12kT$'dir.
Isıl de Broglie dalga boyu
$\lambda_{dB}=h/\sqrt{2\pi mkT}$; parçacığın kuantum belirsizlik ölçeği.
Klasik limit (classical limit)
$n\lambda_{dB}^3\ll1$ olduğunda kuantum dağılımlarının Maxwell-Boltzmann biçimine indirgenmesi.
Kuyruk olasılığı
Belirli bir eşik hızın üstündeki moleküllerin oranı $P(v>v_0)=\text{erfc}(x_0)+\frac{2}{\sqrt\pi}x_0e^{-x_0^2}$, $x_0=v_0/v_{mp}$.

Örnek soru

$T=300\ \text{K}$'de bir azot molekülünün ($M=28.0134$ u) karekök-ortalama-kare hızı $v_{rms}$ yaklaşık kaç m/s'dir? ($k=1.381\times10^{-23}$ J/K, $1\ \text{u}=1.661\times10^{-27}$ kg)

  1. 422 m/s
  2. 517 m/s
  3. 476 m/s
  4. 731 m/s
  5. 258 m/s

Doğru cevap: B

Çözüm

1. Molekül kütlesi: $m=28.0134\times1.661\times10^{-27}=4.652\times10^{-26}$ kg.
2. $v_{rms}=\sqrt{3kT/m}=\sqrt{\dfrac{3\times1.381\times10^{-23}\times300}{4.652\times10^{-26}}}=\sqrt{2.671\times10^5}$.
3. Sonuç: $v_{rms}\approx517$ m/s.
Çeldiriciler: 422 m/s en olası hızdır ($\sqrt{2kT/m}$), 476 m/s ortalama hızdır ($\sqrt{8kT/\pi m}$); üçü farklı niceliklerdir. 731 m/s, $\sqrt2$ çarpanı hatasıdır.

Modern Fizik: tüm konular