نموذج أينشتاين

نموذج أينشتاين في الفيزياء و الكيمياء (بالإنجليزية: Einstein Model) افترضه البرت أينشتاين لوصف اهتزازات الذرات في المادة الصلبة وما تساهمه في السعة الحرارية . افترض اينشتاين أن اهتزازات الذرات في الشبكة البلورية تكون فونونات (صوتية) ذات طاقة محددة ، على نمط الفوتونات الضوئية . لم يؤدي هذا النموذج إلى وصف صحيح لتغير الحرارة النوعية للمواد الصلبة بتغير درجة الحرارة ، وإنما نجح في ذلك نموذج آخر و هو نموذج ديباي وهو يصف سلوك اهتزازات الذرات في المادة الصلبة بدقة.

أساس النموذج

تتكون المادة الصلبة في العادة من بلورات تتخذ فيها الذرات أماكن في الشبكة البلورية ، وافترض أينشتاين أن الاهتزازات التي تقوم بها الذرات تكون ذات طاقة كمومية معينة $\hbar \omega _{E}$ . تلك الطاقة الكمومية تسمى فونونات. وعلى هذا الأساس يمكن أن توصف المادة الصلبة بأنها تحتوي على عدد N من الهزازات التوافقية ، يهتز كل منها في ثلاثة اتجاهات x و y و z ولا تعتمد على بعضها البعض .

اعتبر أينشتاين أن احتمال اهتزاز ذرة $\langle n\rangle$ بهذا التردد يعتمد على درجة الحرارة T ، وباعتبار الفونونات تتبع إحصاء بوز-أينشتاين فطبق عليهم المعادلة :

$\langle n\rangle ={\frac {1}{\exp \left({\frac {\hbar \omega _{E}}{k_{B}T}}\right)-1}}$

وحصل على الطاقة الداخلية U للمادة الصلبة :

$U=3N\cdot \hbar \omega _{E}\cdot \left(\langle n\rangle +{\frac {1}{2}}\right)=3N\cdot \hbar \omega _{E}\cdot \left[{\frac {1}{\exp \left({\frac {\hbar \omega _{E}}{k_{B}T}}\right)-1}}+{\frac {1}{2}}\right]$

ويعطي الشق ${\frac {\hbar \omega _{E}}{2}}$ طاقة درجة الصفر المطلق . وعلى هذا الأساس يصبح نصيب مشاركة الفونونات في السعة الحرارية عند ثبات الحجم V:

$C_{V}=\left({\frac {\partial U}{\partial T}}\right)_{V={\rm {const}}}={\frac {3N}{k_{B}T^{2}}}{\frac {(\hbar \omega _{E})^{2}}{\left[\exp \left({\frac {\hbar \omega _{E}}{k_{B}T}}\right)-1\right]^{2}}}\cdot \exp \left({\frac {\hbar \omega _{E}}{k_{B}T}}\right)$

سمي الشق $\Theta _{E}={\frac {\hbar \omega _{E}}{k_{B}}}$ "درجة حرارة أينشتاين" ، وبالتعويض عنه في المعادلة نحصل على معادلة في صيغة أبسط :

$C_{V}^{\rm {mol}}\left(T\right)=3Nk_{B}\cdot \left({\frac {\Theta _{E}}{T}}\right)^{2}\cdot {\frac {\exp \left({\frac {\Theta _{E}}{T}}\right)}{\left[\exp \left({\frac {\Theta _{E}}{T}}\right)-1\right]^{2}}}$

خطأ نموذج أينشتاين في درجات الحرارة المنخفضة

عند درجات الحرارة المنخفضة وكذلك في حيز درجات الحرارة العالية ، تعطي المعادلة :

$T\rightarrow \infty :\ \ C_{V}\rightarrow 3N\cdot k_{B};\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ T\rightarrow 0:\ \ C_{V}\propto e^{-\Theta _{E}/T}\rightarrow 0$

يعطي نموذج أينشتاين و نموذج ديباي قيما مطابقة لقانون قانون دولون-بتي في درجات الحررة العالية . أما ما تعطيه معادلة أينشتاين فلا يتفق بتاتا مع سلوك السعة الحرارية (C_V(T) للمادة الصلبة في درجات الحرارة المنخفضة . ويرجع ذلك إلى الافتراض الخاطيئ بأن جميع الذرات في المادة الصلبة تهتز بنفس التردد . واتضح أن اهتزاز الذرات في المادة يتم بطرق أكثر تعقيدا ، نجح نموذج ديباي في وصفها.

مراجع

• "Die Plancksche Theorie der Strahlung und die Theorie der spezifischen Wärme", A. Einstein, Annalen der Physik, volume 22, pp. 180–190, 1907.

انظر أيضا

• قانون دولون-بتي
• نموذج ديباي
• الحرارة
• سعة حرارية
• سعرة
• حرارة كامنة
• قابلية انضغاط
• إنتروبي