किसी पहाड़ पर चढ़िए और हवा पतली होती जाती है: तीन हज़ार मीटर पर दाब गिरकर 0.7bar रह जाता है, और एवरेस्ट की चोटी पर समुद्र-तल के मान का एक-तिहाई। ऊपर से वायुमंडल को कुछ नहीं बाँधता; उसे गुरुत्व थामे रखता है और तापीय क्षोभ फैलाता है, और दोनों के बीच का समझौता कोई चरघातांकी है, n∝e−mgz/kBT — किसी अणु की स्थितिज ऊर्जा का kBT से अनुपात तय करता है कि वह ऊपर कितनी दुर्लभ है। वही चरघातांकी शासित करती है किसी उत्तेजित स्तर में परमाणुओं का अंश, इतने तेज़ अणुओं की संख्या कि वे किसी ग्रह से भाग सकें, किसी अनुचुंबक का चुंबकन, वे जनसंख्याएँ जिन्हें किसी लेज़र को उलटना पड़ता है, और वे क्वांटा जिन्हें प्लांक का नियम गिनता है: यही है बोल्ट्ज़मान गुणक, सांख्यिकीय भौतिकी का सबसे उपयोगी अकेला सूत्र। यह अध्याय उसे वायुमंडल से प्रेरित करता है, उसे व्यापक रूप में कहता है, और उससे, योगों तथा गाउसी समाकलों के सिवा कुछ न लेकर, द्विस्तरीय निकाय और उसकी ऊष्मा-धारिता, ऊर्जा का समविभाजन, आणविक चालों का वितरण, और अनुचुंबकत्व का क्यूरी नियम खींचता है — और रास्ते में, किसी क्वांटम दोलक की माध्य ऊर्जा, जो प्लांक का सूत्र है।
किसी शिखर से, निचले वायुमंडल का धुँधलका और ऊपर का गहरा नीला: हवा का घनत्व हर 8km पर e गुने से गिरता है — पृथ्वी के गुरुत्व में किसी अणु की स्थितिज ऊर्जा का बोल्ट्ज़मान गुणक।
29.1 समतापी वायुमंडल
प्रतिज्ञप्ति 29.1(वायुदाबमापी नियम)
परिपूर्ण गैस (आणविक द्रव्यमान m) के किसी वायुमंडल में, एकसमान ताप T पर एकसमान गुरुत्व g में, दाब और संख्या-घनत्व ऊँचाई के साथ चरघातांकी रूप से गिरते हैं:
P(z)=P0e−z/H,n(z)=n0e−mgz/kBT,H=mgkBT,
जिसमें मापक ऊँचाईH≈8.4km288K पर हवा के लिए। चरघातांक किसी अणु की स्थितिज ऊर्जा mgz का तापीय ऊर्जा kBT से अनुपात है।
उपपत्ति. द्रवस्थैतिकी, dP/dz=−ρg=−nmg, और परिपूर्ण-गैस नियम P=nkBT: dP/dz=−(mg/kBT)P, कोई चरघातांकी। असली वायुमंडल ऊँचाई के साथ ठंडा होता है (सबसे निचले दस किलोमीटर में लगभग 6.5K/km), जो गिरावट को कुछ तेज़ कर देता है; समतापी मॉडल 20% तक अच्छा है। ∎
समतापी वायुमंडल: दाब और घनत्व 1/e गुने से गिरते हैं हर मापक ऊँचाईH=kBT/mg पर; किसी हलकी गैस का H बड़ा होता — पर 100km से नीचे विक्षोभ हवा को मिलाए रखता है, और सभी गैसें माध्य H बाँटती हैं।
29.2 बोल्ट्ज़मान गुणक
प्रमेय 29.2(बोल्ट्ज़मान गुणक)
ताप T पर किसी तापस्थापी के साथ तापीय साम्य में कोई निकाय ऊर्जा E की किसी दी हुई सूक्ष्मदर्शी अवस्था में इस प्रायिकता के अनुपात में पाया जाता है
e−E/kBT.
अतः, ऊर्जाओं Ei की विविक्त अवस्थाओं के किसी समुच्चय के लिए,
pi=Ze−Ei/kBT,Z=i∑e−Ei/kBT,
जिसमें योग Z (वह विभाजन फलन) प्रायिकताओं को प्रसामान्यित करता है; दो अवस्थाएँ (या बराबर अपभ्रष्टता के दो स्तर) अनुपात N2/N1=e−(E2−E1)/kBT में भरी होती हैं; और किसी संतत चर (कोई स्थिति, कोई वेग) के लिए प्रायिकता घनत्व उस चर में e−E/kBT के अनुपात में है। 300K पर, kBT=4.1×10−21J=0.026eV: जो कुछ इससे कहीं अधिक महँगा हो वह दुर्लभ है, और जो कहीं कम हो वह मुक्त रूप से उत्तेजित।
उपपत्ति. वायुदाबमापी नियम स्थितिज ऊर्जा mgz के लिए वही गुणक है; हम उसकी व्यापकता मान लेते हैं, पर तर्क यहाँ है (वर्ष 3 के खंड में कठोर बनाया गया)। तापस्थापी R बड़ा है; जब हमारा छोटा निकाय ऊर्जा E की किसी अवस्था में हो, तो तापस्थापी की ऊर्जा Eकुल−E होती है, और वह ΩR(Eकुल−E) सूक्ष्मदर्शी अवस्थाओं में हो सकता है, सभी समान रूप से प्रायिक (किसी विलगित पूर्ण के लिए मूलभूत अभिगृहीत)। अतः p(E)∝ΩR(Eकुल−E)। एंट्रॉपी की बोल्ट्ज़मान परिभाषा SR=kBlnΩR के साथ, और तापस्थापी के लिए 1/T=dSR/dER, lnΩR(Eकुल−E)≈lnΩR(Eकुल)−E/kBT चूँकि E≪Eकुल; अब चरघातांकित कीजिए। ∎
उदाहरण 29.3(परमाण्विक स्तरों की जनसंख्याएँ)
हाइड्रोजन का पहला उत्तेजित स्तर मूल अवस्था से 10.2eV ऊपर पड़ता है: 300K पर, e−395 — ब्रह्मांड भर में एक भी परमाणु नहीं; और 6000K पर, सूर्य की सतह, e−19.7≈3×10−9 (गुना 4 की अपभ्रष्टता): पर्याप्त, सूर्य के विशाल गैस-स्तंभ में, बामर अवशोषण रेखाओं के लिए, जो 10000K के पास के तारों में सबसे तीखी हैं। किसी 2500K की लौ में सोडियम की D रेखा (2.1eV): परमाणुओं का e−9.8=6×10−5 अंश उत्तेजित होता है, जो चुटकी भर नमक की पीली लौ देता है। और अध्याय 23 का लेज़र माध्यम: गुणक कहता है कि साम्य पर उसका ऊपरी स्तर खाली है, और पंप को उससे लड़ना ही पड़ता है।
29.3 विविक्त स्तर: द्विस्तरीय निकाय और दोलक
प्रतिज्ञप्ति 29.4(विभाजन फलन से माध्य ऊर्जा)
β=1/kBT के साथ,
⟨E⟩=i∑piEi=−∂β∂lnZ,C=dTd⟨E⟩.
उपपत्ति.∂βZ=−∑Eie−βEi, अब Z से भाग दीजिए। ∎
प्रतिज्ञप्ति 29.5(द्विस्तरीय निकाय)
N स्वतंत्र निकाय जिनके दो स्तर 0 और ε हों (किसी क्षेत्र में प्रचक्रण, एक उत्तेजित स्तर वाले परमाणु, दो स्थितियों वाले दोष):
ऊपरी स्तर नीचे ताप पर खाली है और ऊँचे ताप पर अधिक से अधिक आधा भरा (साम्य पर कभी उलटा नहीं); ऊष्मा-धारिता दोनों सिरों पर लुप्त होती है और 0.44NkB पर शिखर पाती है kBT=0.42ε के पास — वह शॉट्की विसंगति, स्पेक्ट्रम में किसी अंतराल की पहचान।
उपपत्ति.Z=1+e−x; p2=e−x/(1+e−x); अब ⟨E⟩ का T के सापेक्ष अवकलन कीजिए। ∎
द्विस्तरीय निकाय: ताप के सामने जनसंख्याएँ (ऊपरी स्तर आधे की ओर भरता है, उससे आगे कभी नहीं) और शॉट्की ऊष्मा-धारिता, कोई उभार वहाँ जहाँ kBT अंतराल से मेल खाए।
प्रतिज्ञप्ति 29.6(क्वांटम दोलक और प्लांक का सूत्र)
आवृत्ति ν के किसी हरात्मक दोलक के स्तर En=nhν हैं (और एक अचर); ताप T पर,
यह विकिरण क्षेत्र की किसी मोड की वही माध्य ऊर्जा है जिसे प्लांक का नियम (अध्याय 26) मोडों की संख्या से गुणा करता है, और किसी ठोस में किसी कंपन की माध्य ऊर्जा: ऊँचे ताप पर चिरसम्मत kBT, और नीचे ताप पर कोई जमी हुई मोड।
उपपत्ति. गुणोत्तर श्रेणी, फिर −∂βlnZ। ∎
उदाहरण 29.7(ठोसों की ऊष्मा-धारिता)
किसी ठोस के हर परमाणु को समान आवृत्ति ν के तीन दोलक मानिए (आइंस्टाइन, 1907): C=3NkBx2ex/(ex−1)2 जिसमें x=hν/kBT। θE=hν/kB के ऊपर, C→3NkB=3R प्रति मोल — ड्यूलों और प्टी का नियम (25J/mol/K), जिसे सीसा, ताँबा, लोहा कमरे के ताप पर मानते हैं; उससे कहीं नीचे, C ढह जाता है। हीरे (θE≈1300K) के पास 300K पर केवल 6J/mol/K है, जिसे चिरसम्मत भौतिकी समझा नहीं सकी, और हर ठोस की ऊष्मा-धारिता नीचे ताप पर लुप्त हो जाती है — विकिरण के बाहर क्वांटम की पहली सफलता।
29.4 समविभाजन और मैक्सवेल का वितरण
प्रमेय 29.8(ऊर्जा का समविभाजन)
हर वह चर q जो ऊर्जा में द्विघाती रूप से घुसे, E=aq2+…, और सभी वास्तविक मानों पर फैले, साम्य पर माध्य ऊर्जा में 21kBT का योगदान करता है:
⟨aq2⟩=21kBT.
किसी एक-परमाणुक गैस (तीन स्थानांतरण) का U=23NkBT और प्रति मोल CV=23R है; कोई द्वि-परमाणुक गैस दो घूर्णन जोड़ती है, CV=25R, और उसका कंपन (दो द्विघाती पद, पर कमरे के ताप पर hν≫kBT के साथ क्वांटित) कुछ हज़ार केल्विन तक जमा रहता है।
उपपत्ति.q में प्रायिकता घनत्व ∝e−aq2/kBT है, कोई गाउसी:
⟨aq2⟩=∫e−aq2/kBTdq∫aq2e−aq2/kBTdq=21kBT
(∫e−λq2dq=π/λ का λ के सापेक्ष अवकलन कीजिए)। परिणाम को संतत सातत्य चाहिए: जब स्तरों की दूरी kBT से अधिक हो तो गुणक चर को जमा देता है, जैसा ऊपर दोलक के लिए। ∎
प्रमेय 29.9(मैक्सवेल का चालों का वितरण)
T पर किसी गैस में, वेग-घटक प्रसरण kBT/m के स्वतंत्र गाउसी हैं, और चाल v=∣v∣ का प्रायिकता घनत्व है
f(v)=4π(2πkBTm)3/2v2e−mv2/2kBT,
जिसमें सर्वाधिक संभाव्य, माध्य तथा वर्ग-माध्य-मूल चालें
vसं=m2kBT,⟨v⟩=πm8kBT,vवमम=m3kBT,
अनुपातों 1:1.13:1.22 में हैं। 300K पर नाइट्रोजन के लिए: 422, 476, 517m/s; हाइड्रोजन के लिए, 3.7 गुना अधिक; और वितरण की पूँछ, ∝e−mv2/2kBT, वही है जो सबसे तेज़ अणुओं को वाष्पित होने, अभिक्रिया करने, या कोई ग्रह छोड़ने देती है।
उपपत्ति. गतिज ऊर्जा 21m(vx2+vy2+vz2) कोई गुणक e−mvx2/2kBTe−mvy2/2kBTe−mvz2/2kBT देती है: तीन स्वतंत्र गाउसी, हर एक m/2πkBT से प्रसामान्यित। चाल-वितरण त्रिज्या v और आयतन 4πv2dv के कोश के सभी वेग बटोरता है। फिर vसं को df/dv=0 से, और आघूर्णों को ∫0∞v3e−av2dv=1/2a2, ∫0∞v4e−av2dv=83π/a5 से; vवमम समविभाजन से भी निकलता है, 21m⟨v2⟩=23kBT। ∎
तीन तापों पर नाइट्रोजन के लिए मैक्सवेल का चाल-वितरण: शिखर T की तरह खिसकता है, वक्र चौड़ा होता है, और ऊँची-चाल वाली पूँछ सबसे तेज़ बढ़ती है — वही पूँछ जो पलायन तथा अभिक्रिया-दर तय करती है।
उदाहरण 29.10(ग्रह कौन छोड़ता है)
पृथ्वी की पलायन चाल 11.2km/s है। बहिर्मंडल में, लगभग 1000K पर, हीलियम का vसं=2.0km/s है: पलायन चाल से ऊपर परमाणुओं का अंश कोटि e−(11.2/2.0)2=e−31≈10−13 का है — छोटा, पर अरबों वर्षों तक हर टक्कर पर नया होता रहा: हीलियम रिसकर चला जाता है, और हवा में उसकी बहुतायत केवल 5ppm है, रेडियोऐक्टिव क्षय से उसके लगातार उत्पादन के बावजूद। नाइट्रोजन के लिए चरघातांक सात गुना बड़ा है, e−220: नाइट्रोजन ठहरता है। चंद्रमा पर (vपल=2.4km/s) 400K पर नाइट्रोजन तक (vसं=490m/s) का प्रति टक्कर-काल e−24 है: सौर मंडल की आयु भर में, कोई वायुमंडल नहीं बचता।
29.5 अनुचुंबकत्व और क्यूरी नियम
प्रतिज्ञप्ति 29.11(प्रचक्रण-1/2 अनुचुंबक)
N स्वतंत्र चुंबकीय आघूर्ण जो केवल क्षेत्र B के अनुदिश या उसके विरुद्ध संकेत कर सकें, ऊर्जाओं ∓μB के साथ, ताप T पर माध्य आघूर्ण और चुंबकन रखते हैं
प्रवृत्ति χ=μ0M/B=μ0nμ2/kBT1/T की तरह बदलती है (क्यूरी का नियम); μ=μB=9.27×10−24J/T के साथ, μB/kBT=2.2×10−31T और 300K पर, अतः साधारण अनुचुंबक बमुश्किल चुंबकित होते हैं; 1K पर वही क्षेत्र 0.67 देता है और संतृप्ति शुरू हो जाती है।
उपपत्ति.p±∝e±μB/kBT: ⟨μz⟩=μ(ex−e−x)/(ex+e−x) जिसमें x=μB/kBT; और tanhx≈x छोटे x के लिए। ∎
किसी प्रचक्रण-1/2 अनुचुंबक का चुंबकन: छोटे क्षेत्रों पर B/T में रैखिक (क्यूरी), और μB के kBT से बढ़ते ही संतृप्त — किसी टेस्ला पर केवल एक केल्विन से नीचे पहुँचा, जो इस वक्र को सबसे ठंडे प्रयोगों के लिए कोई तापमापी बना देता है।
टिप्पणी 29.12(गुणक जो नहीं करता)
बोल्ट्ज़मान गुणक किसी ताप पर साम्य का वर्णन करता है; वह दरों के बारे में कुछ नहीं कहता (साम्य कितनी तेज़ी से पहुँचता है — यद्यपि कोई सक्रियण ऊर्जा Eसक्रि दरें ∝e−Eसक्रि/kBT देती है, वह आर्रेनियस नियम जो ठोसों में विसरण के लिए मिला)। वह स्वतंत्र उपनिकायों पर या पूरे पर लागू होता है; ऊँचे घनत्व पर सर्वसम क्वांटम कणों (किसी धातु में इलेक्ट्रॉन, फोटॉन, परम शून्य के पास हीलियम) के लिए उसकी जगह वर्ष 3 के खंड के फर्मी–डिराक और बोस–आइंस्टाइन वितरण ले लेते हैं, जिनकी वह तनु सीमा है।
विधि 29.13(बोल्ट्ज़मान आकलन)
(1) E/kBT निकालिए; 300K पर kBT=0.026eV, और 11600K पर 1eV। (2) जनसंख्याओं के अनुपात: e−ΔE/kBT (गुना अपभ्रष्टताएँ)। (3) विविक्त स्तर: Z, फिर ⟨E⟩=−∂βlnZ, फिर C। (4) द्विघाती संतत चर: हर एक 21kBT, यदि जमा न हो। (5) चालें: vसं=2kBT/m और गाउसी पूँछ। (6) प्रचक्रण: tanh(μB/kBT), क्यूरी का 1/T।
29.6 अभ्यास
अभ्यास 29.1★
288K पर हवा की मापक ऊँचाई (M=29g/mol); 3000m, 8849m, 10km पर दाब (मापे गए 0.26bar से तुलना कीजिए); केवल हीलियम की मापक ऊँचाई; मंगल के वायुमंडल की (CO2, 210K, g=3.7m/s2)।
हल
हल — अभ्यास 29.1.
H=kBT/mg=8.4km; 0.70, 0.35, 0.30bar (असली 0.26: हवा ऊँचाई के साथ ठंडी होती है); हीलियम 61km; मंगल 10.7km।
अभ्यास 29.2★
जनसंख्याएँ: हाइड्रोजन का n=2 स्तर (10.2eV, अपभ्रष्टता 4 के सामने 1) 300K, 6000K, 10000K पर; किसी 2500K की लौ में सोडियम का 2.1eV स्तर; 300K पर 1×10−3eV का कोई आणविक घूर्णन स्तर; 300K पर किसी चुंबक में 1×10−7eV से विपाटित कोई नाभिकीय प्रचक्रण स्तर।
हल
हल — अभ्यास 29.2.
हाइड्रोजन: 4e−395≈10−171; 4e−19.7=10−8; 4e−11.8=3×10−5। सोडियम: e−9.8=6×10−5। घूर्णन: e−0.04=0.96, लगभग बराबर। नाभिकीय प्रचक्रण: 1−4×10−6 — वही नन्हा ध्रुवण जिसके साथ चुंबकीय अनुनाद काम करता है।
अभ्यास 29.3★
मैक्सवेल चालें (vसं, ⟨v⟩, vवमम) 300K और 77K पर N2 के लिए, 300K पर H2 के लिए, तथा 1×10−18kg के किसी धूम-कण के लिए। 2vसं से तेज़ (लगभग 4.6%) और 3vसं से तेज़ (लगभग 4×10−4) अणुओं का अंश: पूँछ पर टिप्पणी कीजिए।
हल
हल — अभ्यास 29.3.
N2300K: 422, 476, 517m/s; 77K: 214, 241, 262m/s; H2: 1580, 1780, 1930m/s; धूम-कण: 9cm/s (उसकी ब्राउनी कँपकँपी)। 2vसं के ऊपर बीस में एक अणु; 3vसं के ऊपर 2500 में एक — फिर भी प्रति घन मीटर 1022।
अभ्यास 29.4★
प्रचक्रण-1/2 आघूर्ण μ=μB, n=1×1028m−3, B=1T: 300K और 1K पर x=μB/kBT; M/Mसंत; Mसंत; 300K पर प्रवृत्ति। लोहे के संतृप्ति चुंबकन (1.7×106A/m) से तुलना कीजिए।
हल
हल — अभ्यास 29.4.
x=2.2×10−3 और 0.67; M/Mसंत=2.2×10−3 और 0.59; Mसंत=nμ=9.3×104A/m; χ=μ0nμ2/kBT=2.6×10−4। लोहे का 1.7×106A/m सहकारी है, कोई बोल्ट्ज़मान प्रभाव नहीं।
अभ्यास 29.5★★
दो स्तर। (क) p1, p2, ⟨E⟩ को Z से व्युत्पन्न कीजिए। (ख) दिखाइए कि हर धनात्मक ताप पर N2<N1; और N2>N1 का T के लिए क्या अर्थ होता? (ग) निकाय की एंट्रॉपी S=−NkB∑pilnpi, T→0 और T→∞ पर। (घ) किसी क्रिस्टल में कोई दोष दो स्थितियों में बैठ सकता है जो 0.05eV दूर हैं: 300K और 77K पर ऊपरी वाली का अध्यासन।
हल
हल — अभ्यास 29.5.
(क) प्रतिज्ञप्ति 29.5। (ख) e−x<1 जब T>0; N2>N1 को T<0 चाहिए होता — कोई जनसंख्या-प्रतिलोमन। (ग) 0 और NkBln2। (घ) x=1.93: 0.13; 77K पर, x=7.5: 5×10−4।
अभ्यास 29.6★★
शॉट्की। (क) द्विस्तरीय निकाय का C(T) व्युत्पन्न कीजिए। (ख) उसका उच्चतम संख्यात्मक रूप से (x=2.40) और उसका मान ढूँढ़िए। (ग) नीचे और ऊँचे T पर सीमाएँ, उनके भौतिक अर्थ के साथ। (घ) 1T में ताँबे के नाभिकीय प्रचक्रणों का ε≈1×10−7eV है: उनका शॉट्की शिखर किस ताप पर बैठता है, और सबसे ठंडे शीतकों के लिए वह क्यों मायने रखता है?
हल
हल — अभ्यास 29.6.
(क) Nε/(ex+1) का अवकलज। (ख) x=2.40, C=0.44NkB। (ग) ∝x2e−x→0: जमा हुआ; ∝1/T2→0: दोनों स्तर भरे, सोखने को कुछ बचा नहीं। (घ) kBT=0.42ε: 0.5mK; किसी मिलिकेल्विन से नीचे नाभिकीय प्रचक्रण अधिकांश ऊष्मा-धारिता थामे रहते हैं और हर शीतलन को धीमा कर देते हैं।
अभ्यास 29.7★★
समविभाजन और उसकी विफलता। (क) गाउसी समाकल से ⟨aq2⟩=kBT/2 व्युत्पन्न कीजिए। (ख) किसी एक-परमाणुक और किसी दृढ़ द्वि-परमाणुक गैस का CV। (ग) नाइट्रोजन के कंपन का hν/kB=3400K है: दोलक की माध्य ऊर्जा से, 300K, 1000K, 3000K पर CV। (घ) आइंस्टाइन ठोस: C जब T=θE, θE/4, 4θE, 3R के मात्रकों में; और कमरे के ताप पर हीरा।
मैक्सवेल विस्तार से। (क) दिखाइए कि वेग-घटक स्वतंत्र गाउसी हैं और f(v) व्युत्पन्न कीजिए। (ख) vसं, ⟨v⟩, vवमम निकालिए। (ग) माध्य गतिज ऊर्जा: समविभाजन से जाँचिए। (घ) किसी दीवार से टकराने वाले अणुओं का फ्लक्स प्रति इकाई क्षेत्रफल तथा काल 41n⟨v⟩ है (मान लीजिए): 1bar, 300K पर प्रति सेकंड 1cm2 से टकराने वाले N2 अणुओं की संख्या; और वह दर जिससे कोई 1µm का सूच्छिद्र हवा को किसी निर्वात-कक्ष में जाने देता है (बहिःस्रवण)।
हल
हल — अभ्यास 29.8.
(क), (ख) प्रमेय 29.9। (ग) 23kBT। (घ) 41n⟨v⟩=2.9×1027m−2s−1: प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति सेकंड 3×1023; 7.9×10−13m2 से होकर: प्रति सेकंड 2.3×1015 अणु, यानी 1×10−5Pam3/s का कोई रिसाव।
अभ्यास 29.9★★
पलायन। (क) किसी मैक्सवेल गैस का v से तेज़ अंश: दिखाइए कि वह लगभग (2/π)xe−x2 है x=v/vसं≫1 के लिए। (ख) 11.2km/s से ऊपर 1000K पर हीलियम; और नाइट्रोजन। (ग) चंद्रमा, vपल=2.4km/s, 400K: नाइट्रोजन, और कौन-सा ताप उसे सौर मंडल की आयु भर थामे रखता (1017 टक्कर-काल लीजिए: पलायन अंश 10−17 से नीचे)। (घ) टाइटन (2.6km/s, 94K) कोई मोटा नाइट्रोजन वायुमंडल क्यों रखता है?
हल
हल — अभ्यास 29.9.
(क) f का खंडशः समाकलन कीजिए; अग्र पद (2/π)xe−x2 है। (ख) हीलियम x=5.5: 5×10−13; नाइट्रोजन x=14.5: e−211। (ग) x=4.9: प्रति टक्कर-काल 10−10 — गया; 10−17 को x≈6.6 चाहिए, T≲230K। (घ) x=11: e−121; ठंडा पर्याप्त।
अभ्यास 29.10★★★
दूसरे विभव। (क) ω पर घूमते किसी अपकेंद्रित्र में, प्रभावी स्थितिज ऊर्जा −21mω2r2 है: घनत्व प्रोफ़ाइल n(r)। (ख) यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड, दो समस्थानिक Δm=3u, ω=2π×1000Hz, r=10cm, 300K: एक चरण का संवर्धन गुणक। (ग) 293K पर जल में कोलॉइडी गोले (उत्प्लावी द्रव्यमान m′=2.6×10−17kg): उनके अवसादन साम्य की मापक ऊँचाई; और इसने आवोगाद्रो संख्या कैसे दी? (घ) किसी क्षेत्र E में कोई इलेक्ट्रॉन गैस: बोल्ट्ज़मान प्रोफ़ाइल eeEx/kBT किसी प्लाज़्मा की डिबाई परिरक्षण लंबाई λD=ε0kBT/ne2 का आधार क्यों है (तर्क का खाका खींचिए)?
हल
हल — अभ्यास 29.10.
(क) n=n0emω2r2/2kBT। (ख) eΔmω2r2/2kBT=e0.24=1.27। (ग) H=kBT/m′g=16µm; कई ऊँचाइयों पर गोले गिनने से kB मिलता है, अतः NA=R/kB। (घ) आयन किसी आवेश के चारों ओर e∓eφ/kBT मानते हैं; पॉइसों के समीकरण में रैखिकीकृत कर यह φ′′=φ/λD2 देता है: विभव λD के परे परिरक्षित हो जाता है।
अभ्यास 29.11★★★
बोल्ट्ज़मान से प्लांक। (क) Z और ⟨E⟩ निकालिए स्तरों nhν के लिए। (ख) दो सीमाएँ और उनके अर्थ। (ग) मोडों के घनत्व 8πν2/c3 (दिया गया) से गुणा कीजिए और प्लांक का नियम पुनः पाइए; दिखाइए कि रैले–जीन्स नियम हर मोड पर लगाया गया समविभाजन है। (घ) चिरसम्मत गिनती एक वाक्य में क्यों विफल होती है?
हल
हल — अभ्यास 29.11.
(क) Z=1/(1−e−x), ⟨E⟩=hν/(ex−1)। (ख) kBT: समविभाजन; hνe−hν/kBT: जमा हुआ। (ग) uν=(8πν2/c3)⟨E⟩; रैले–जीन्स हर मोड को kBT देता है। (घ) कोई मोड एक क्वांटम से कम से उत्तेजित नहीं हो सकती।
अभ्यास 29.12★★★
रुद्धोष्म विचुंबकन।N प्रचक्रण 1/2 की एंट्रॉपी S=NkB[ln(2coshx)−xtanhx] है, x=μB/kBT। (क) दिखाइए कि वह केवल B/T पर निर्भर है, जिसमें S→NkBln2B/T→0 के लिए और S→0B/T→∞ के लिए। (ख) 1K पर कोई लवण समतापी रूप से 0 से 1T तक चुंबकित किया जाता है: हटाई गई एंट्रॉपी (प्रति प्रचक्रण, μ=μB के साथ)। (ग) फिर क्षेत्र रुद्धोष्म रूप से 0.01T तक घटाया जाता है: अंतिम ताप। (घ) विधि को क्या सीमित करता है, और वही tanh वक्र तापमापी के रूप में कैसे काम करता है?
हल
हल — अभ्यास 29.12.
(क) केवल x=μB/kBT; ln2 और 0। (ख) x=0.67: S/NkB=0.51, अतः प्रति प्रचक्रण 0.18kB हटा। (ग) B/T नियत: 10mK। (घ) प्रचक्रणों का अपना क्षेत्र (मिलिटेस्ला) अंत में B की जगह ले लेता है और शीतलन को सीमित करता है; M=nμtanh(μB/kBT) मापने से T मिलता है।
लुडविग बोल्ट्ज़मान (1844–1906), जिनका गुणक e−E/kBT इस अध्याय का विषय है, और जिनका सूत्र S=kBlnΩ वियना में उनकी समाधि पर उत्कीर्ण है।
29.7 समस्या: समतापी वायुमंडल, हीलियम पलायन और कोई प्रचक्रण तापमापी
द्रवस्थैतिकी और परिपूर्ण-गैस नियम से, P(z)=P0e−z/H व्युत्पन्न कीजिए और 288K पर हवा के लिए H दीजिए।
परिणाम में बोल्ट्ज़मान गुणक पहचानिए; कौन-सी ऊर्जा, कौन-सा ताप?
3000m, 5500m और 8849m पर दाब; और वह ऊँचाई जहाँ दाब आधा हो जाए।
प्रति वर्ग मीटर वायुमंडल का द्रव्यमान (P0=1.013×105Pa से), और कुल द्रव्यमान; जाँचिए कि ∫0∞ρdz=ρ0H।
वायुमंडल में अणुओं की संख्या।
यदि हर गैस अपना ही H मानती, तो ज़मीन की तुलना में 50km पर अनुपात O2/N2 क्या होता? असल में संघटन 100km तक एकसमान क्यों है?
असली क्षोभमंडल 6.5K/km पर ठंडा होता है: 10km पर दाब समतापी आकलन से ऊँचा है या नीचा? समझाइए।
समुद्र-तल पर और 100km पर संख्या-घनत्व (समतापी मॉडल, 288K): “अंतरिक्ष की देहरी” पर टिप्पणी कीजिए।
भाग II — हीलियम पलायन। बहिर्मंडल, 500km के ऊपर, लगभग 1000K पर और टक्कर-रहित है: पलायन चाल से तेज़ ऊपर की ओर चलता कोई अणु निकल जाता है।
उस ऊँचाई पर पृथ्वी से पलायन चाल।
1000K पर हीलियम और नाइट्रोजन की सर्वाधिक संभाव्य तथा माध्य चालें।
v>vपल वाले हीलियम परमाणुओं का अंश ((2/π)xe−x2 लीजिए); नाइट्रोजन के लिए वही।
पलायन करते हीलियम का फ्लक्स मोटे तौर पर 41nHe⟨v⟩× (वह अंश) ×21 है; बहिर्मंडल-तल पर nHe=1×1012m−3 के साथ, प्रति वर्ग मीटर प्रति सेकंड और पूरी पृथ्वी के लिए प्रति वर्ष हानि आँकिए।
हवा में हीलियम आयतन से 5ppm है: वायुमंडल में कुल हीलियम; और निकाली गई हानि के सामने उसका निवास-काल।
भूपर्पटी में रेडियोऐक्टिवता प्रति वर्ष लगभग 3×106kg हीलियम बनाती है: क्या वायुमंडल का हीलियम स्थायी अवस्था में है, और प्रश्न 11 से तुलना क्या सिखाती है?
सौर उच्चतम पर बहिर्मंडल 2000K तक पहुँचता है: हीलियम पलायन अंश किस गुणक से चढ़ता है?
चंद्रमा के पास कोई वायुमंडल क्यों नहीं, और टाइटन (पलायन 2.6km/s, 94K) के पास मोटा क्यों?
भाग III — कोई प्रचक्रण तापमापी। किसी अनुचुंबकीय लवण में n=2×1027m−3 प्रचक्रण 1/2 हैं जिनका μ=μB है, किसी क्षेत्र B में।
दोनों स्तरों की जनसंख्याएँ और चुंबकन M(B,T)।
B=0.1T पर: 300K, 4K, 0.05K पर M; क्यूरी का नियम कहाँ मान्य है?
M कोई तापमापी क्यों है, और किस परास में वह सबसे संवेदी है? व्यवहार में क्या मापा जाता है?
प्रचक्रणों की माध्य ऊर्जा और ऊष्मा-धारिता (शॉट्की); 0.1T पर शिखर का ताप।
ऊँचे और शून्य ताप पर प्रचक्रणों की एंट्रॉपी; T→0 होते कौन-सा “क्रमण” होता है?
1K, 1T से 0.01T तक रुद्धोष्म विचुंबकन: अंतिम ताप; B→0 से T→0 क्यों नहीं मिल सकता?
कोई नाभिकीय-प्रचक्रण तापमापी μN=μB/1836 लेता है: 1T पर, किस ताप तक क्यूरी का नियम टिकता है, और ऐसा तापमापी माइक्रोकेल्विन परास में क्यों काम आता है?
किसी वर्णक्रमी रेखा की डॉप्लर चौड़ाई (मैक्सवेल के वितरण से) की गैसों के तापमापी के रूप में तुलना कीजिए: कौन-सी राशि, और वह T के साथ कैसे मापती है?
सारांश दीजिए: तीन निकाय और वह एक ही सूत्र।
हल
हल — समस्या 29.1.
1.dP/dz=−nmg=−(mg/kBT)P; H=8.4km।
2.e−mgz/kBT: एक अणु की स्थितिज ऊर्जा, और हवा का ताप।
6.HO2=7.6, HN2=8.7km: 50km पर अनुपात अपने ज़मीनी मान का e−50/7.6+50/8.7=0.44 होता; विक्षोभ विसरण के अलग करने से तेज़ मिलाता है।
7. नीचा: ठंडी हवा सघन है और दाब तेज़ी से गिरता है।
8.2.5×1025m−3; e−11.9: 1.7×1020m−3 — कोई देहरी नहीं, केवल कोई रूढ़ि।
9.11.26370/6870=10.8km/s।
10. हीलियम 2040, 2300m/s; नाइट्रोजन 770, 870m/s।
11.x=5.3: 4×10−12; नाइट्रोजन e−196: कोई नहीं।
12.41×1012×2300×4×10−12×21≈103 परमाणु प्रति वर्ग मीटर प्रति सेकंड; पूरी पृथ्वी पर और एक वर्ष में, 2×1025 परमाणु — 0.1kg।
13.5×10−6×1.1×1044=5.5×1038 परमाणु, 3.7×1012kg; 0.1kg/yr के सामने निवास-काल बेतुका होता।
14. स्थायी अवस्था को 3×106kg/yr की हानि चाहिए: लगभग दस लाख वर्ष का कोई निवास-काल, जो स्वीकृत मान है — अतः 1000K पर तापीय आकलन कहीं बहुत छोटा है: पलायन पर अधिक गरम प्रसंगों और अ-तापीय (आयनिक) प्रक्रियाओं का बोलबाला है।
15.x=3.75: e−14, e−28 के बजाय — 106 का कोई गुणक: हानि बहिर्मंडलीय ताप के प्रति असाधारण रूप से संवेदी है।
16. चंद्रमा गरम और हलका है: भूवैज्ञानिक काल में सब कुछ निकल जाता है; टाइटन ठंडा है, नाइट्रोजन के लिए x=11।
17.p±=e±x/2coshx; M=nμtanhx।
18.x=μB/kBT: 4.2A/m, 310A/m, 1.6×104A/m (संतृप्ति 1.9×104A/m); x≪1 के लिए क्यूरी, अर्थात् T≫70mK।
19.M केवल T पर निर्भर है, एक बार B ज्ञात हो जाए; सबसे तीखा x≈1, T≈μB/kB=70mK के पास; और प्रवृत्ति किसी कुंडली से मापी जाती है।
20.⟨E⟩=−NμBtanhx; C=NkBx2/cosh2x, शिखर x=1.2 पर: 56mK।
21.NkBln2 और 0: सारे प्रचक्रण क्षेत्र के साथ पंक्तिबद्ध हो जाते हैं।
22.10mK; प्रचक्रणों का मिलिटेस्ला का अपना क्षेत्र B की जगह ले लेता है और फ़र्श तय कर देता है।
23.x=1 जब μNB/kB=0.37mK: क्यूरी किसी मिलिकेल्विन तक टिकता है, और तापमापी माइक्रोकेल्विन तक काम का है।
24.Δν/ν=8kBTln2/mc2∝T: किसी रेखा की चौड़ाई गैस का ताप मापती है।
25. वायुमंडल, पलायन करती गैस, प्रचक्रण: e−E/kBT जिसमें E=mgz, 21mv2, ∓μB।