N个原子在空间规则地排列起来形成点阵结构(理想晶体).由于热涨落,原子可以离开原来的点阵位置进入点阵的间隙位置,这种空位—间隙原子称为弗仑克尔(Frenkel)缺陷(见图). 令w代表将原子从原来的位置移到间隙位置所需要的能量,当 时,缺陷数n满足 ,因而缺陷之间的相互影响可以忽略.原子可以进入的间隙位置数N'和N有相同的数量级.试证明在温度T满足 的平衡态下,缺陷的平均数n满足下列关系: 或 提示:先利用玻尔关系S(n)=klnW(n)求出有n个缺陷时的熵,其中W(n)代表从N个点阵位置移下n个原子并把它们分配到N'个间隙位置中的n个位置上的不同. 有n个缺陷时的自由能为F(n)=E(n)-TS(n)=nw-TS(n),再由自由能极小的条件,即 导出使F取极小的缺陷数n,它代表一定温度T的平衡态的平均缺陷数. 本题是综合应用热力学与统计物理学的一个例子.