थर्मल डी ब्रोगली तरंग दैर्ध्य

भौतिकी में, ऊष्मीय डी ब्रोगली तरंग दैर्ध्य ($\lambda _{\mathrm {th} }$, जिसे कभी-कभी $\Lambda$ द्वारा भी निरूपित किया जाता है ) मोटे तौर पर निर्दिष्ट तापमान पर एक आदर्श गैस में कणों की औसत डी ब्रोगली तरंग दैर्ध्य है। हम गैस में माध्य अंतर-कण दूरी को लगभग (V/N)^1/3 मान सकते हैं जहां V आयतन है और N कणों की संख्या है। जब ऊष्मीय डी ब्रोगली तरंगदैर्घ्य कणांतर दूरी की तुलना में बहुत छोटा होता है, तो गैस को क्लासिकल या मैक्सवेल-बोल्ट्जमैन गैस माना जा सकता है। दूसरी ओर, जब ऊष्मीय डी ब्रोगली तरंग कणांतर दूरी के क्रम में या उससे बड़ा होता है, तो क्वांटम प्रभाव हावी होगा और गैस को फर्मी गैस या बोस गैस के रूप में माना जाना चाहिए, जो गैस के कणों की प्रकृति पर निर्भर करता है। महत्वपूर्ण तापमान इन दो शासनों के बीच संक्रमण बिंदु है, और इस महत्वपूर्ण तापमान पर, ऊष्मीय तरंग दैर्ध्य कणांतर दूरी के लगभग बराबर होगा। अर्थात्, गैस की क्वांटम प्रकृति

$$\displaystyle {\frac {V}{N\lambda _{\mathrm {th} }^{3}}}\leq 1\ ,{\rm {or}}\ \left({\frac {V}{N}}\right)^{1/3}\leq \lambda _{\mathrm {th} }$$

के लिए स्पष्ट होगी, अर्थात, जब कणांतर दूरी ऊष्मीय डी ब्रोगली तरंग दैर्ध्य से कम हो, तब इस स्थिति में गैस बोस-आइंस्टीन आँकड़ों या फर्मी-डिराक आँकड़ों का पालन करेगी, जो भी उपयुक्त हो। यह उदाहरण के लिए टी = 300 केल्विन पर एक विशिष्ट धातु में इलेक्ट्रॉनों के स्थिति में है, जहां इलेक्ट्रॉन गैस फर्मी-डिराक आंकड़ों का पालन करती है, या बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट में। दूसरी ओर, के लिए

$$\displaystyle {\frac {V}{N\lambda _{\mathrm {th} }^{3}}}\gg 1\ ,{\rm {or}}\ \left({\frac {V}{N}}\right)^{1/3}\gg \lambda _{\mathrm {th} }$$

यानी, जब इंटरपार्टिकल की दूरी ऊष्मीय डी ब्रोगली तरंग दैर्ध्य से बहुत बड़ी होती है, तो गैस मैक्सवेल-बोल्ट्जमैन सांख्यिकी का पालन करेगी। कमरे के तापमान पर आणविक या परमाणु गैसों और न्यूट्रॉन स्रोत द्वारा उत्पादित न्यूट्रॉन तापमान के स्थिति में ऐसा ही है।

बड़े पैमाने पर कण

बड़े पैमाने पर, गैर-अंतःक्रियात्मक कणों के लिए, ऊष्मीय डी ब्रोगली तरंग दैर्ध्य को विभाजन समारोह (सांख्यिकीय यांत्रिकी) की गणना से प्राप्त किया जा सकता है। लंबाई का 1-आयामी बॉक्स मानते हुए L, विभाजन समारोह (एक बॉक्स में 1D कण की ऊर्जा अवस्थाओं का उपयोग करके) है

$$Z=\sum _{n}e^{-E_{n}/k_{\mathrm {B} }T}=\sum _{n}e^{-h^{2}n^{2}/8mL^{2}k_{\mathrm {B} }T}.$$

चूंकि ऊर्जा के स्तर एक साथ बहुत करीब हैं, हम इस योग को एक अभिन्न के रूप में अनुमानित कर सकते हैं:

$$Z=\int _{0}^{\infty }e^{-h^{2}n^{2}/8mL^{2}k_{\mathrm {B} }T}dn={\sqrt {\frac {2\pi mk_{\mathrm {B} }T}{h^{2}}}}L\equiv {\frac {L}{\lambda _{\rm {th}}}}.$$

इस तरह,

$$\lambda _{\rm {th}}={\frac {h}{\sqrt {2\pi mk_{\mathrm {B} }T}}},$$

कहाँ $h$ प्लैंक स्थिरांक है, m गैस कण का द्रव्यमान है, $k_{\mathrm {B} }$ बोल्ट्जमैन स्थिरांक है, और T गैस का तापमान है।यह कम प्लैंक स्थिरांक का उपयोग करके भी व्यक्त किया जा सकता है $\hbar ={\frac {h}{2\pi }}$ जैसा

$$\lambda _{\mathrm {th} }={\sqrt {\frac {2\pi \hbar ^{2}}{mk_{\mathrm {B} }T}}}.$$

द्रव्यमान रहित कण

द्रव्यमान रहित (या अत्यधिक विशेष सापेक्षता) कणों के लिए, तापीय तरंग दैर्ध्य को इस रूप में परिभाषित किया जाता है

$$\lambda _{\mathrm {th} }={\frac {hc}{2\pi ^{1/3}k_{\mathrm {B} }T}}={\frac {\pi ^{2/3}\hbar c}{k_{\mathrm {B} }T}},$$

जहाँ c प्रकाश की गति है। बड़े पैमाने पर कणों के लिए ऊष्मीय तरंग दैर्ध्य के साथ, यह गैस में कणों के औसत तरंग दैर्ध्य के क्रम का है और एक महत्वपूर्ण बिंदु को परिभाषित करता है जिस पर क्वांटम प्रभाव हावी होने लगते हैं। उदाहरण के लिए, काले शरीर के विकिरण के लंबे-तरंग दैर्ध्य स्पेक्ट्रम का अवलोकन करते समय, शास्त्रीय रेले-जीन्स कानून लागू किया जा सकता है, लेकिन जब मनाया तरंग दैर्ध्य ब्लैक बॉडी रेडिएटर में फोटोन के ऊष्मीय तरंग दैर्ध्य तक पहुंचते हैं, क्वांटम प्लैंक का काला शरीर का नियम विकिरण | प्लैंक के नियम का उपयोग किया जाना चाहिए।

सामान्य परिभाषा

कणों की एक आदर्श गैस के लिए ऊष्मीय तरंग दैर्ध्य की एक सामान्य परिभाषा, ऊर्जा और संवेग (फैलाव संबंध) के बीच मनमाना शक्ति-कानून संबंध, किसी भी संख्या में आयामों में पेश की जा सकती है। अगर n आयामों की संख्या है, और ऊर्जा के बीच संबंध है (E) और गति (p) द्वारा दिया गया है

$$E=ap^{s}$$

(साथ a और s स्थिरांक है), तो तापीय तरंगदैर्घ्य को इस रूप में परिभाषित किया जाता है

$$\lambda _{\mathrm {th} }={\frac {h}{\sqrt {\pi }}}\left({\frac {a}{k_{\mathrm {B} }T}}\right)^{1/s}\left[{\frac {\Gamma (n/2+1)}{\Gamma (n/s+1)}}\right]^{1/n},$$

कहाँ Γ गामा समारोह है। विशेष रूप से, 3-डी के लिए (n = 3) हमारे पास भारी या द्रव्यमान रहित कणों की गैस E = p²/2m (a = 1/2m, s = 2) और E = pc (a = c, s = 1), क्रमशः, पिछले अनुभागों में सूचीबद्ध व्यंजकों को प्रस्तुत करते हुए। ध्यान दें कि भारी गैर-सापेक्ष कणों (s = 2) के लिए व्यंजक n पर निर्भर नहीं करता है। यह बताता है कि उपरोक्त 1-डी व्युत्पत्ति 3-डी स्थिति से सहमत क्यों है।

उदाहरण

298 K पर ऊष्मीय डी ब्रोगली तरंग दैर्ध्य के कुछ उदाहरण नीचे दिए गए हैं।

Species	Mass (kg)	$\lambda _{\mathrm {th} }$ (m)
Electron	9.1094×10−31	4.3179×10−9
Photon	0	1.6483×10−5
H2	3.3474×10−27	7.1228×10−11
O2	5.3135×10−26	1.7878×10−11

संदर्भ

• Vu-Quoc, L., Configuration integral (statistical mechanics), 2008. this wiki site is down; see this article in the web archive on 2012 April 28.