1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الفيزياء

علماء الفيزياء

الفيزياء الكلاسيكية

الميكانيك

الديناميكا الحرارية

الكهربائية والمغناطيسية

الكهربائية

المغناطيسية

الكهرومغناطيسية

علم البصريات

تاريخ علم البصريات

الضوء

مواضيع عامة في علم البصريات

الصوت

الفيزياء الحديثة

النظرية النسبية

النظرية النسبية الخاصة

النظرية النسبية العامة

مواضيع عامة في النظرية النسبية

ميكانيكا الكم

الفيزياء الذرية

الفيزياء الجزيئية

الفيزياء النووية

مواضيع عامة في الفيزياء النووية

النشاط الاشعاعي

فيزياء الحالة الصلبة

الموصلات

أشباه الموصلات

العوازل

مواضيع عامة في الفيزياء الصلبة

فيزياء الجوامد

الليزر

أنواع الليزر

بعض تطبيقات الليزر

مواضيع عامة في الليزر

علم الفلك

تاريخ وعلماء علم الفلك

الثقوب السوداء

المجموعة الشمسية

الشمس

كوكب عطارد

كوكب الزهرة

كوكب الأرض

كوكب المريخ

كوكب المشتري

كوكب زحل

كوكب أورانوس

كوكب نبتون

كوكب بلوتو

القمر

كواكب ومواضيع اخرى

مواضيع عامة في علم الفلك

النجوم

البلازما

الألكترونيات

خواص المادة

الطاقة البديلة

الطاقة الشمسية

مواضيع عامة في الطاقة البديلة

المد والجزر

فيزياء الجسيمات

الفيزياء والعلوم الأخرى

الفيزياء الكيميائية

الفيزياء الرياضية

الفيزياء الحيوية

الفيزياء العامة

مواضيع عامة في الفيزياء

تجارب فيزيائية

مصطلحات وتعاريف فيزيائية

وحدات القياس الفيزيائية

طرائف الفيزياء

مواضيع اخرى

علم الفيزياء : مواضيع عامة في الفيزياء : مواضيع اخرى :

Two-Dimensional Debye Solid

المؤلف:  Sidney B. Cahn, Gerald D. Mahan And Boris E. Nadgorny

المصدر:  A GUIDE TO PHYSICS PROBLEMS

الجزء والصفحة:  part 2 , p 46

6-9-2016

1413

Two-Dimensional Debye Solid

An atom confined to a surface may be thought of as an object “living” in a two-dimensional world. There are a variety of ways to look at such an atom. Suppose that the atoms adsorbed on the surface are not independent but undergo collective oscillations as do the atoms in a Debye crystal. Unlike the atoms in a Debye crystal, however, there are only two dimensions in which these collective vibrations can occur.

a) Derive an expression for the number of normal modes between ω and ω + dω and, by thinking carefully about the total number of vibrational frequencies for N atoms confined to a surface, rewrite it in terms of N and ωD, the maximum vibration frequency allowed due to the discreteness of the atoms.

b) Obtain an integral expression for the energy E for the two-  dimensional Debye crystal. Use this to determine the limiting form of the temperature dependence of the heat capacity (analogous to the Debye τ3 law) as τ → 0 for the two-dimensional Debye crystal up to dimensionless integrals.

SOLUTION

a) The number of normal modes in the 2D solid within the interval dk of a wave vector k may be written

(1)

In the 2D solid there are only two independent polarizations of the excitations, one longitudinal and one transverse. Therefore,

(2)

where ⟨v⟩ is the average velocity of sound. To find the Debye frequency ωD, we use the standard assumption that the integral of (2) from 0 to a certain cut-off frequency ωD is equal to the total number of vibrational modes; i.e.,

(3)

Therefore,

(4)

We can express ⟨v⟩ through ωD:

(5)

Then (2) becomes

(6)

b) The free energy then becomes

(6)

Defining θD = hωD, and introducing a new variable x = hω/τ, we can rewrite (7) in the form

(8)

Integrating (8) by parts, we obtain

(9)

where the 2D Debye function D2(z) is

(10)

The energy is given by

(11)

The specific heat C (CPCV at low temperatures) is

(12)

At low temperatures, τ << θD, we can extend the upper limit of integration to infinity:

Therefore, at τ << θD,

(13)

where

and  is the Riemann  function. Note that the specific heat in 2D is

Note also that you can solve a somewhat different problem: When atoms are confined to the surface but still have three degrees of freedom, the results will, of course, be different.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي