المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

علم الفيزياء
عدد المواضيع في هذا القسم 11580 موضوعاً
الفيزياء الكلاسيكية
الفيزياء الحديثة
الفيزياء والعلوم الأخرى
مواضيع عامة في الفيزياء

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر

حساسية للأدوية Drug Allergy
15-2-2018
اهم الاضرار التي تسببها الأكاروسات (الحلم)
11-4-2022
الجغرافيا السياحية تنطلق من مفهوم فلسفة المكان
3-4-2022
Southwestern phonology: consonants H
2024-03-09
Breeder
22-11-2020
المعدات - اعداد الموقع
2023-08-27

Diatomic Molecules in Three Dimensions  
  
5044   04:55 مساءاً   date: 25-8-2016
Author : Sidney B. Cahn, Gerald D. Mahan And Boris E. Nadgorny
Book or Source : A GUIDE TO PHYSICS PROBLEMS
Page and Part : part 2 , p 23


Read More
Date: 21-8-2016 1148
Date: 28-7-2016 834
Date: 25-7-2016 1173

Diatomic Molecules in Three Dimensions

Consider the free rotation of a diatomic molecule consisting of two atoms of mass m1 and m2, respectively, separated by a distance a. Assume that the molecule is rigid with center of mass fixed.

a) Starting from the kinetic energy εk, where

derive the kinetic energy of this system in spherical coordinates and show that

where I is the moment of inertia. Express I in terms of m1, m2, and a.

b) Derive the canonical conjugate momenta pθ and pφ. Express the Hamiltonian of this system in terms of pθ, pφ, θ, φ, and I.

c) The classical partition function is defined as

Calculate Zcl. Calculate the heat capacity for a system of N molecules.

d) Assume now that the rotational motion of the molecule is described by quantum mechanics. Write the partition function in this case, taking into account the degeneracy of each state. Calculate the heat capacity of a system of N molecules in the limit of low and high temperatures and compare them to the classical result.

SOLUTION

a) We first transform the expression of the kinetic energy εk:

(1)

where xi, yi, zi are the Cartesian coordinates of the molecule in the frame with the c.m. at the origin to spherical coordinates:

(2)

For the rigid diatom,

We may substitute (2) into (1), obtaining

(3)

Using the definition of c.m., we may write

(4)

yielding

(5)

Then (3) becomes

(6)

with

b) In order to find the conjugate momenta pθ, pφ, we must compute the Lagrangian

(7)

Expressing  through pφ, pθ

we may rewrite the Hamiltonian as

(8)

c) The single-diatom partition function may be computed as follows:

(9)

Now the free energy F for N such classical molecules may be found from

(10)

The entropy S is then

(11)

and the energy E and heat capacity C are

(12)

d) For the quantum case the Schrodinger equation for a rigid rotator

(13)

admits the standard solution

(14)

where each of the energy states is (2j + 1)-degenerate. The partition function Zq is given by

(15)

For low temperatures we may neglect high-order terms and write

where we left only terms with j = 0 and j = 1. For N molecules we find for the free energy that

(16)

The energy E and heat capacity C are then

(17)

So, at low temperatures the heat capacity corresponding to the rotational degrees of freedom is exponentially small. This implies that there would be no difference, in this limit, between the heat capacity for monatomic and diatomic molecules. In the opposite case, at high temperatures, h2/2I << τ, the sum may be replaced by an integral:

(18)

where α ≡ h2/2I τ. Proceeding from (18), we have

(19)

Replacing the sum by an integral, we obtain

(20)

Therefore, in the classical limit (high temperatures),

(21)

The energy E and heat capacity C are given by

(22)

We see that this is the same as found in (12). Since we expect a heat capacity per degree of freedom of 1/2, we see that there are two degrees of freedom for each molecule since

They correspond to the two rotational degrees of freedom of a classical rod. (There are no spatial degrees of freedom since the molecule is considered fixed.)




هو مجموعة نظريات فيزيائية ظهرت في القرن العشرين، الهدف منها تفسير عدة ظواهر تختص بالجسيمات والذرة ، وقد قامت هذه النظريات بدمج الخاصية الموجية بالخاصية الجسيمية، مكونة ما يعرف بازدواجية الموجة والجسيم. ونظرا لأهميّة الكم في بناء ميكانيكا الكم ، يعود سبب تسميتها ، وهو ما يعرف بأنه مصطلح فيزيائي ، استخدم لوصف الكمية الأصغر من الطاقة التي يمكن أن يتم تبادلها فيما بين الجسيمات.



جاءت تسمية كلمة ليزر LASER من الأحرف الأولى لفكرة عمل الليزر والمتمثلة في الجملة التالية: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation وتعني تضخيم الضوء Light Amplification بواسطة الانبعاث المحفز Stimulated Emission للإشعاع الكهرومغناطيسي.Radiation وقد تنبأ بوجود الليزر العالم البرت انشتاين في 1917 حيث وضع الأساس النظري لعملية الانبعاث المحفز .stimulated emission



الفيزياء النووية هي أحد أقسام علم الفيزياء الذي يهتم بدراسة نواة الذرة التي تحوي البروتونات والنيوترونات والترابط فيما بينهما, بالإضافة إلى تفسير وتصنيف خصائص النواة.يظن الكثير أن الفيزياء النووية ظهرت مع بداية الفيزياء الحديثة ولكن في الحقيقة أنها ظهرت منذ اكتشاف الذرة و لكنها بدأت تتضح أكثر مع بداية ظهور عصر الفيزياء الحديثة. أصبحت الفيزياء النووية في هذه الأيام ضرورة من ضروريات العالم المتطور.