הצגת המקור של הדף "מודל דביי"

'''מודל דביי''' פותח על ידי ה[[פיזיקאי]] וה[[כימאי]] [[פטר דביי]] בשנת [[1912]]. המודל פותח על מנת להעריך את [[קיבול חום|קיבול החום]] כתלות ב[[טמפרטורה]] ב[[מוצק]]ים. המודל מהווה תיקון ל[[מודל המוצק של איינשטיין]] בכך שהוא מצליח לקבל בטמפרטורות נמוכות כי קיבול החום פרופורציוני ל-<math> T^3 </math> ובנוסף לקבל כי עבור טמפרטורות גבוהות קיבול החום הוא <math> C_{\rm V} = 3 N k_{\rm B} </math> כאשר <math> T </math> הוא הטמפרטורה, <math> N </math> הוא מספר ה[[מולקולה|מולוקולות]] במוצק ו- <math> k_{\rm B} </math> הוא [[קבוע בולצמן]]. עקב מספר הנחות פשטניות במודל מקבלים חוסר דיוק עבור טמפרטורות שאינן גבוהות או נמוכות מאוד.
[[קובץ:DebyeVSEinstein.jpg|טקסט=גרף של קיבול החום כפונקציה של הטמפרטורה המשווה בין מודל המוצק של איינשטיין למודל דביי. בגרף ניתן לראות כי בגבול של טמפרטורות גבוהות שני המודלים מסכימים ואילו בטמפרטורות נמוכות הגרפים אינם מסכימים: במודל המוצק של איינשטיין ישנה התנהגות אקספוננציאלית של קיבול החום בטמפרטורות נמוכות ואילו במודל דביי קיבול הולך כמו הטמפרטורה בשלישית.|ממוזער|גרף של קיבול החום כפונקציה של הטמפרטורה המשווה בין מודל המוצק של איינשטיין למודל דביי.]]

==פיתוח המודל==
הרעיון שעומד בבסיס הפיתוח של המודל הוא התייחסות לתנודות המולקולות שבמוצק כאל [[גל]]ים עם [[אנרגיה]] מקוונטטת - [[פונונים]]. לגלים אלו יש שלוש דרגות חופש: שתי דרגות חופש של [[גל רוחב|תנודות רוחביות]] ודרגת חופש אחת של [[גל אורך|תנודות אורכיות]].<ref name=":0">{{קישור כללי|כתובת=https://podcasts.ox.ac.uk/02-debye-model-vibrations-solids-drude-theory-electrons-metals|כותרת=02. Debye Model of Vibrations in Solids; Drude Theory of Electrons in Metals {{!}} University of Oxford Podcasts - Audio and Video Lectures|אתר=podcasts.ox.ac.uk|תאריך_וידוא=2020-07-22}}</ref>

האנרגיה שתורמים כלל הפונונים בעלי [[תדירות]] <math> \omega_{\rm s} </math> היא: <math> \varepsilon_{\rm s} = \hbar \omega_{\rm s} \bigg( n_{\rm s} (\omega_{\rm s},\beta) + \frac{1}{2} \bigg) </math> כאשר <math> n_{\rm s} (\omega_{\rm s},\beta) = \frac{1}{e ^ {\hbar \beta \omega_{\rm s}} - 1} </math> הוא פונקציית האכלוס של פלאנק, המתאר את מספר הפונונים בעלי תדירות <math> \omega_{\rm s} </math> ו-<math> \beta = \frac {1}{k_{\rm B} T} </math> . אם כן, האנרגיה הכוללת במוצק היא: <math> U = \sum_{\rm s} \varepsilon_{\rm s} = \sum_{\rm s} \hbar \omega_{\rm s} \bigg( n_{\rm s} (\omega_{\rm s},\beta) + \frac{1}{2} \bigg) </math> כאשר s מייצג את המצבים המיקרוסקופיים השונים האפשריים במוצק.<ref name=":1">{{צ-ספר|מחבר=Charles Kittel and Herbert Kroemer|שם=Thermal Physics|מקום הוצאה=New York|מו"ל=W. H. Freeman and Company|שנת הוצאה=1970}}</ref><ref name=":0" />

'''הנחות המודל:'''<ref name=":1" /><ref name=":0" />

[[יחס נפיצה]] ליניארי: <math> \omega = v_{\rm sound} |\vec k| </math> כאשר מניחים ש[[מהירות הקול]] בחומר <math> v_{\rm sound} </math> אינה תלויה אם מדובר בתנודות אורכיות או רוחביות, ב[[קיטוב]] בכיוון התקדמות הגל או בגודל של [[וקטור גל|וקטור הגל]] <math> |\vec k| </math>.

'''מספר המצבים האפשריים:'''<ref name=":0" /><ref name=":1" />

עבור מוצק עם <math> N </math> מולקולות יש <math> 3 N </math> מצבים אפשריים מאחר שלכל פונון יש שלוש דרגות חופש (שתיים של התנודות הרוחביות ואחת של [[תורת התנודות|תנודה]] אורכית).

'''מציאת תדירות הקטעון - תדירות דביי:'''<ref name=":1" />

תדירות הקיטעון היא התדירות המקסימלית האפשרית במוצק נתון. תדירות זו מתקבלת מתוך ההנחה שיש מספר סופי של תנודות אפשריות מאחר שלמוצק יש מימד סופי ולכן מספר סופי של מולקולות. ניתן לחשב ולמצוא את תדירות הקטעון באופן הבא:

מניחים כי תנאי השפה של הבעיה לא משפיעים הרבה על פתרון הבעיה ולכן ניתן להניח כי המוצק הוא קובייה בעל נפח <math> V </math> ואורך כל אחת מצלעותיו <math> L </math> כך ש- <math> V = L^3 </math>. פתרון [[משוואת הגלים]] עם [[תנאי שפה]] של קובייה תלת־ממדית ( - [[פונקציית גל|פונקציית הגל]] צריכה להתאפס על צלעות הקוביה) נותנת את [[מספר גל|מספרי הגל]] <math> k_{\rm n} = \frac {\pi n}{L} </math> כאשר n הוא [[מספר טבעי]].

מספר המצבים האפשריים = <math> \sum_{\rm s} 1 = 3 \sum_{\rm n} 1 = 3N </math> כאשר הפקטור 3 נובע משלוש דרגות החופש שיש לתנודות בחומר.

מניחים כי ניתן לקרב את הסכום על <math> n </math> לאינטגרל תלת־ממדי על <math> n </math> באופן הבא: <math> 3N = 3 \sum_{\rm n} 1 \approx \frac {3}{8} \int_0^{n_{\rm max}}\,{4 \pi n^{2}}\, d n = \frac {1}{2} \pi n_{\rm max}^3 </math>. (האינטגרל הוא [[אינטגרל]] ב[[קואורדינטות כדוריות]] כאשר התחום הרלוונטי הוא האזור בו x>0 ,y>0 ,z>0. כלומר, מתעניינים רק בשמינית מהמרחב ולכן החלוקה ב-8).

כלומר: <math> n_{\rm max} = \bigg({\frac {6N}{\pi}} \bigg)^{\frac{1}{3}} </math>.

מיחס הנפיצה מקבלים את תדירות הקיטעון: <math> \omega_{\rm max} = v_{\rm sound} k_{\rm max} = v_{\rm sound} \frac {\pi n_{\rm max}}{L} = v_{\rm sound} \bigg( 6 {\pi}^2 \frac {N}{V} \bigg)^{\frac{1}{3}} \equiv \omega_{\rm D} </math>.<ref name=":0" />

'''חישוב קיבול החום מתוך האנרגיה הכוללת:'''<ref name=":1" />

כפי שצוין בתחילת הפיתוח, האנגיה הכוללת ניתנת לחישוב באופן הבא:<math> U = \sum_{\rm s} \varepsilon_{\rm s} = \sum_{\rm s} \hbar \omega_{\rm s} \bigg( n_{\rm s} (\omega_{\rm s},\beta) + \frac{1}{2} \bigg) = 3 \sum_{\rm n} \hbar \omega(k_{\rm n}) \bigg( \frac{1}{e ^ {\hbar \beta \omega(k_{\rm n})} - 1} + \frac{1}{2} \bigg) </math> כאשר הסכום הומר מלהיות סכום על המצבים המיקרוסקופיים s ללהיות סכום על n.

מאחר שמתעניינים בחישוב קיבול החום ניתן להתעלם מהתרומה של האיבר <math> \frac {1}{2} </math> לסכום מאחר שאיבר זה אינו תלוי בטמפרטורה.<ref name=":0" /> בנוסף, מקרבים את הסכום על <math> n </math> לאינטגרל באותו אופן שנעשה לחישוב תדירות הקיטעון ומקבלים: <math> U = 3 \sum_{\rm n} \frac{\hbar \omega(k_{\rm n})}{e ^ {\hbar \beta \omega(k_{\rm n})} - 1} = 3 \sum_{\rm n} \frac{\hbar k_{\rm n} v_{\rm sound}}{e ^ {\hbar \beta k_{\rm n} v_{\rm sound}} - 1} \approx \frac {3}{8} \int_0^{n_{\rm max}}\,{4 \pi k^{2} \frac{\hbar k_{\rm n} v_{\rm sound}}{e ^ {\hbar \beta k_{\rm n} v_{\rm sound}} - 1} }\, d n </math> .

מחליפים את משתנה האינטגרציה למשתנה חסר ממדים (חסר יחידות) - <math> x = \frac {\pi \hbar v_{\rm sound}}{L k_{\rm B} T} n </math>, ומקבלים: <math> U \approx \frac {3}{8} \int_0^{n_{\rm max}}\,{4 \pi k^{2} \frac{\hbar k_{\rm n} v_{\rm sound}}{e ^ {\hbar \beta k_{\rm n} v_{\rm sound}} - 1} }\, d n = \frac {3 {\pi}^2 \hbar v_{\rm sound}}{2L} \bigg( \frac {L k_{\rm B} T}{\pi \hbar v_{\rm sound}} \bigg)^4 \int_0^{x_{\rm D}}\,{\frac{x^3}{e ^ {x} - 1} }\, d x = \frac {3 V (k_{\rm B} T)^4}{2 {\pi}^2 {\hbar}^3 {v_{\rm sound}}^3} \int_0^{x_{\rm D}}\,{\frac{x^3}{e ^ {x} - 1} }\, d x </math>

כאשר <math> x_{\rm D} =\frac {\pi \hbar v_{\rm sound} n_{\rm max}}{L k_{\rm B} T} = \frac {\hbar v_{\rm sound}}{k_{\rm B} T} \bigg( 6 {\pi}^2 \frac{N}{V} \bigg)^{ \frac {1}{3}} </math>.

מהאנרגיה הכוללת ניתן לחשב את קיבול החום על ידי ביצוע [[נגזרת חלקית]] לפי הטמפרטורה: <math> \ C_V = \left. \frac{\partial U}{\partial T} \right|_V </math>.

===טמפרטורת דביי<ref name=":1" />===

מהגודל <math> x_{\rm D}</math> מגדירים את '''טמפרטורת דביי''': <math> x_{\rm D} =\frac {{\theta}_{\rm D}}{T} \implies {\theta}_{\rm D} = \frac {\hbar v_{\rm sound}}{k_{\rm B}} \bigg( 6 {\pi}^2 \frac{N}{V} \bigg)^{ \frac {1}{3}} </math>. לגודל זה יחידות טמפרטורה ולכן מגדיר סקלת טמפרטורה למערכת. ניתן להסתכל על טמפרטורות ביחס לטמפרטורת דביי, בהתאם ליחס זה נקבעת הפיזיקה של המערכת. כלומר עבור טמפרטורות נמוכות ביחס לטמפרטורת דביי המוצק יהיה במצב שונה בהשוואה לטמפרטורות גבוהות ביחס לטמפרטורת דביי. בין היתר, השוני בא לידי ביטוי בקיבול החום.

===קיבול החום בגבול של טמפרטורות גבוהות<ref name=":0" /><ref name=":1" />===
עבור טמפרטורות גבוהות, כלומר: <math> T >> {\theta}_{\rm D} \implies x_{\rm D} << 1 </math>. במקרה זה בחישוב האנרגיה הכוללת ניתן להשתמש בטור טיילור של [[אקספוננט]] עד לסדר ראשון: <math> e^x \approx 1 + x </math>, כך שמתקבל האינטגרל הבא:

<math> U \approx \frac {3 V (k_{\rm B} T)^4}{2 {\pi}^2 {\hbar}^3 {v_{\rm sound}}^3} \int_0^{x_{\rm D}}\,{\frac{x^3}{x + 1 - 1} }\, d x = \frac {3 V (k_{\rm B} T)^4}{2 {\pi}^2 {\hbar}^3 {v_{\rm sound}}^3} \int_0^{\frac {{\theta}_{\rm D}}{T}}\,{x^2}\, d x = \frac {V (k_{\rm B} T)^4}{2 {\pi}^2 {\hbar}^3 {v_{\rm sound}}^3} \bigg(\frac {{\theta}_{\rm D}}{T}\bigg)^3= 3N k_{\rm B} T </math>.

מכאן ש'''קיבול החום בטמפרטורות גבוהות''' הוא: <math> C_{\rm V} = 3N k_{\rm B} </math>.

תוצאה זו [[עלה בקנה אחד|עולה בקנה אחד]] עם התוצאה שקיבל איינשטיין ועם מדידות שערכו במעבדה.

===קיבול החום בגבול של טמפרטורות נמוכות<ref name=":1" />===
עבור טמפרטורות נמוכות, כלומר: <math> T << {\theta}_{\rm D} \implies x_{\rm D} >> 1 </math>. במקרה זה בחישוב האנרגיה הכוללת ניתן לקרב את האינטגרל ללהיות אינטגרל מאפס עד [[אינסוף]], כך ש- <math> \int_0^{x_{\rm D}}\,{\frac{x^3}{e ^ {x} - 1} }\, d x \approx \int_0^{\infty}\,{\frac{x^3}{e ^ {x} - 1} }\, d x = \frac {{\pi}^4}{15} </math>.

אם כן, האנרגיה הכוללת עבור טמפרטורות נמוכות היא <math> U \approx \frac {3 V (k_{\rm B} T)^4}{2 {\pi}^2 {\hbar}^3 {v_{\rm sound}}^3} \int_0^{x_{\rm D}}\,{\frac{x^3}{x + 1 - 1} }\, d x \approx \frac {V {\pi}^2 (k_{\rm B} T)^4}{10 {\hbar}^3 {v_{\rm sound}}^3} = \frac {3 {\pi}^4 N k_{\rm B} T^4}{5 {{\theta}_{\rm D}}^3} </math>.

מכאן ש'''קיבול החום בטמפרטורות נמוכות''' הוא: <math> C_{\rm V} = \frac {12 {\pi}^4 N k_{\rm B}}{5} \bigg(\frac {T}{{\theta}_{\rm D}} \bigg)^3 </math>.

תוצאה זו מראה כי עבור טמפרטורות נמוכות קיבול החום הולך כמו הטמפרטורה בשלישית, תוצאה שעולה בקנה אחד עם מדידות שנערכו במעבדה.

== הצלחות המודל<ref name=":0" />==
מצליח לקבל את קיבול החום הנמדד בטמפרטורות גבוהות - <math> C_{\rm V} = 3 N k_{\rm B} </math> ובטמפרטורות נמוכות - <math> C_{\rm V} \sim T^3 </math>.

==הבעיות במודל<ref name=":0" />==
* השימוש ביחס נפיצה ליניארי: <math> \omega = v_{\rm sound} |\vec k| </math>, עבור ערכים גדולים של <math> |\vec k| </math>. הבעיה היא כי עבור ערכים גבוהים של <math> |\vec k| </math> יחס הנפיצה אינו ליניארי.
* המודל אינו מדויק עבור אף חומר.
* מודל דביי לא מתאר טוב את קיבול החום במתכות. קיבול החום במתכות: <math> C_{\rm_ V} \sim \alpha T^3 + \gamma T </math>. מודל דביי נותן הסבר לאיבר שהולך כמו <math> T^3 </math>, אך אינו מסביר את האיבר עם התלות הליניארית בטמפרטורה. הרכיב הליניארי הזה נובע מקיבול החום של האלקטרונים, שרק בטמפרטורות נמוכות מאוד הוא אינו זניח.

==ראו גם==
* [[מודל המוצק של איינשטיין]]
* [[חוק דולון-פטי]]

== קישורים חיצוניים ==
* [https://podcasts.ox.ac.uk/02-debye-model-vibrations-solids-drude-theory-electrons-metals הרצאה על מודל דביי], באתר [[אוניברסיטת אוקספורד]] {{אנגלית}}
*  [https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/58739442/Thermal-Physics.pdf?1553850975=&response-content-disposition=inline%3B+filename%3DThermal_Physics_by_CHARLES_KITTEL_and_HE.pdf&Expires=1595418591&Signature=CXm9Hp4uJp3UHOw5snD-Vc3JSQJxLl1VxgTYozPG8cWXuCCIL1dLln6eS8Yfm3QepF6qfanN0IhKgNwc7V~-0nXQAqyZy6SeUicy1C7PN5fLWMlmvSlzbllzKHG1wQibeSxRyzGmUH~ofQhfWbCgAc88h3sUB6RrRQOaOgmVI-OhJKm58UbpcGZDK~gbxt6g8dm-lXE-trCAPpI-RVwBWGonwQSlxWfy~N~KGw0eTI0NnECsBf9bRad8HfqgP-HYBxVldSwhwqN0CUDYruEKyryo4v-YErVDyqQ8~qKt~GUHoFByagFyXwynDk7m66cOBaN--kvjiaaE1k2JfCopAg__&Key-Pair-Id=APKAJLOHF5GGSLRBV4ZA, ספר בפיזיקה תרמית]{{קישור שבור}} {{אנגלית}}
*  [http://www.thphys.de/F14_Debye_Experiment.html באתר thphys, תדריך מעבדה בנושא מודל דביי] {{אנגלית}}
* [https://zenodo.org/record/1424256 באתר Zenodo, המאמר של פטר דביי] {{גרמנית}}
* [https://users.aber.ac.uk/ruw/teach/334/heatcap.php באתר של Dr Rudolf Winter, הסבר על מודל דביי] {{אנגלית}}

==הערות שוליים==
{{הערות שוליים|יישור=שמאל}}

[[קטגוריה:תרמודינמיקה]]
[[קטגוריה:פיזיקה של מצב מוצק]]