§5.1 近独立粒子与粒子配分函数§5.2 玻尔兹曼分布:两种推导§5.3 用粒子配分函数表示热力学量§5.4 麦克斯韦速度分布§5.5 能量均分定理§5.6 经典统计的适用条件自测题 本章目标
系 统地讨论由大量近独立粒子组成的系统;从两个角度推导玻尔兹曼分布;导出麦克斯韦速度分布与能量均分定理,并明确经典统计的适用范围。
§5.1 近独立粒子与粒子配分函数
"近独立"指粒子间相互作用弱到其能量可以忽略(但仍足以使系统达到平衡),于是系统能量是各粒子能量之和。分为两类:
定域系统 :粒子位置固定(如晶格上的原子、磁性离子),可以用位置区分,Z = q N Z = q^N Z = q N ;
非定域系统 :粒子在整个容器中运动(如气体),不可区分,经典极限下 Z = q N / N ! Z = q^N/N! Z = q N / N ! 。
粒子配分函数可以按"态"或按"能级"求和:
q = ∑ j e − β ε j = ∑ l g l e − β ε l (5.1) q = \sum_{j}e^{-\beta\varepsilon_j} = \sum_{l}g_le^{-\beta\varepsilon_l} \tag{5.1} q = j ∑ e − β ε j = l ∑ g l e − β ε l ( 5.1 )
(j j j 遍历单粒子态,l l l 遍历能级,g l g_l g l 为简并度。)q q q 的含义 :若以基态能量为零点,q = g 0 + g 1 e − β ε 1 + ⋯ q = g_0 + g_1e^{-\beta\varepsilon_1} + \cdots q = g 0 + g 1 e − β ε 1 + ⋯ 。低温时 q → g 0 q\to g_0 q → g 0 ,温度越高 q q q 越大。粗略地说,q q q 是温度 T T T 下粒子"实际可及"的状态数(能量在基态之上不超过几个 k B T k_{\mathrm B}T k B T 的状态数)。
§5.2 玻尔兹曼分布:两种推导
推导一:由正则系综 。§4.5 已给出 (4.20) ;把能级 l l l 上 g l g_l g l 个态的贡献加起来,处于能级 l l l 的平均粒子数为
N l = N g l e − β ε l q (5.2) N_l = N\,\frac{g_le^{-\beta\varepsilon_l}}{q} \tag{5.2} N l = N q g l e − β ε l ( 5.2 )
推导二:最概然分布(玻尔兹曼的方法) 。许多教材(特别是物理化学教材)采用这种推导,这里也给出,以便对照。给定一组"分布" { N l } \lbrace N_l\rbrace { N l } (能级 l l l 上有 N l N_l N l 个粒子),满足 ∑ l N l = N \sum_lN_l = N ∑ l N l = N ,∑ l N l ε l = E \sum_lN_l\varepsilon_l = E ∑ l N l ε l = E 。
对定域系统 ,实现这个分布的微观态数为
W ( { N l } ) = N ! ∏ l N l ! ∏ l g l N l (5.3) W(\lbrace N_l\rbrace) = \frac{N!}{\prod_lN_l!}\prod_lg_l^{N_l} \tag{5.3} W ({ N l }) = ∏ l N l ! N ! l ∏ g l N l ( 5.3 )
理由:把 N N N 个可区分粒子分成各组(第 l l l 组 N l N_l N l 个)的方式数为 N ! / ∏ l N l ! N!/\prod_lN_l! N ! / ∏ l N l ! (多项式系数,提示 C4 );能级 l l l 上的每个粒子还可以处于 g l g_l g l 个简并态中的任一个,贡献 g l N l g_l^{N_l} g l N l 。对非定域系统 的经典极限(g l ≫ N l g_l\gg N_l g l ≫ N l ,几乎不会有两个粒子挤在同一个态),粒子不可区分,再除以 N ! N! N ! :
W M B ( { N l } ) = ∏ l g l N l N l ! (5.4) W_{\mathrm{MB}}(\lbrace N_l\rbrace) = \prod_l\frac{g_l^{N_l}}{N_l!} \tag{5.4} W MB ({ N l }) = l ∏ N l ! g l N l ( 5.4 )
两者只差一个与 { N l } \lbrace N_l\rbrace { N l } 无关的因子 N ! N! N ! ,求极大的结果相同。由 §2.4 的经验,W W W 在最概然分布处有极其尖锐的峰,所以平衡分布就是使 ln W \ln W ln W 取极大的分布。用斯特林公式(假设各 N l ≫ 1 N_l\gg1 N l ≫ 1 ),ln W M B = ∑ l [ N l ln g l − N l ln N l + N l ] \ln W_{\mathrm{MB}} = \sum_l\left[N_l\ln g_l - N_l\ln N_l + N_l\right] ln W MB = ∑ l [ N l ln g l − N l ln N l + N l ] 。在两个约束下求极大,引入拉格朗日乘子 α \alpha α 、β \beta β (提示 A8 ):
∂ ∂ N l [ ln W M B − α ∑ l ′ N l ′ − β ∑ l ′ N l ′ ε l ′ ] = ln g l − ln N l − α − β ε l = 0 ⟹ N l = g l e − α − β ε l (5.5) \frac{\partial}{\partial N_l}\left[\ln W_{\mathrm{MB}} - \alpha\sum_{l'}N_{l'} - \beta\sum_{l'}N_{l'}\varepsilon_{l'}\right] = \ln g_l - \ln N_l - \alpha - \beta\varepsilon_l = 0\quad\Longrightarrow\quad N_l = g_le^{-\alpha-\beta\varepsilon_l} \tag{5.5} ∂ N l ∂ [ ln W MB − α l ′ ∑ N l ′ − β l ′ ∑ N l ′ ε l ′ ] = ln g l − ln N l − α − β ε l = 0 ⟹ N l = g l e − α − β ε l ( 5.5 )
由 ∑ l N l = N \sum_lN_l = N ∑ l N l = N 得 e − α = N / q e^{-\alpha} = N/q e − α = N / q ,即回到 (5.2) 。
乘子 β \beta β 的意义 。由 (5.5) ,ln ( g l / N l ) = α + β ε l \ln(g_l/N_l) = \alpha + \beta\varepsilon_l ln ( g l / N l ) = α + β ε l ,所以最概然分布对应的 ln W max = ∑ l N l ( α + β ε l ) + ∑ l N l = ( α + 1 ) N + β E \ln W_{\max} = \sum_lN_l(\alpha + \beta\varepsilon_l) + \sum_lN_l = (\alpha + 1)N + \beta E ln W m a x = ∑ l N l ( α + β ε l ) + ∑ l N l = ( α + 1 ) N + βE 。在 N N N 固定下改变 E E E 时 α \alpha α 、β \beta β 都会变:d ln W max = N d α + E d β + β d E d\ln W_{\max} = N\,d\alpha + E\,d\beta + \beta\,dE d ln W m a x = N d α + E d β + β d E ;而对 N = ∑ l g l e − α − β ε l N = \sum_lg_le^{-\alpha-\beta\varepsilon_l} N = ∑ l g l e − α − β ε l 求微分得 0 = − ∑ l N l ( d α + ε l d β ) = − ( N d α + E d β ) 0 = -\sum_lN_l(d\alpha + \varepsilon_l\,d\beta) = -(N\,d\alpha + E\,d\beta) 0 = − ∑ l N l ( d α + ε l d β ) = − ( N d α + E d β ) 。所以 d ln W max = β d E d\ln W_{\max} = \beta\,dE d ln W m a x = β d E 。由于峰极其尖锐,S = k B ln W max S = k_{\mathrm B}\ln W_{\max} S = k B ln W m a x (与 §3.3 同理),于是 1 / T = ∂ S / ∂ E = k B β 1/T = \partial S/\partial E = k_{\mathrm B}\beta 1/ T = ∂ S / ∂ E = k B β ,即 β = 1 / ( k B T ) \beta = 1/(k_{\mathrm B}T) β = 1/ ( k B T ) ,与 (3.3) 、(3.5) 一致。
评注
最概然分布推导需要假设每个 N l ≫ 1 N_l\gg1 N l ≫ 1 才能用斯特林公式,而实际上高能级的 N l N_l N l 往往很小;正则系综的推导 (4.20) 没有这个缺陷。两种推导给出相同的结果。
§5.3 用粒子配分函数表示热力学量
定域系统 (Z = q N Z = q^N Z = q N ):
F = − N k B T ln q , U = − N ∂ ln q ∂ β = N k B T 2 ∂ ln q ∂ T , S = N k B ln q + U T (5.6) F = -Nk_{\mathrm B}T\ln q,\qquad U = -N\frac{\partial\ln q}{\partial\beta} = Nk_{\mathrm B}T^2\frac{\partial\ln q}{\partial T},\qquad S = Nk_{\mathrm B}\ln q + \frac UT \tag{5.6} F = − N k B T ln q , U = − N ∂ β ∂ ln q = N k B T 2 ∂ T ∂ ln q , S = N k B ln q + T U ( 5.6 )
非定域系统 (Z = q N / N ! Z = q^N/N! Z = q N / N ! ,用 ln N ! ≈ N ln N − N \ln N!\approx N\ln N - N ln N ! ≈ N ln N − N ):
F = − N k B T [ ln q N + 1 ] , U = − N ∂ ln q ∂ β , S = N k B [ ln q N + 1 ] + U T (5.7) F = -Nk_{\mathrm B}T\left[\ln\frac qN + 1\right],\qquad U = -N\frac{\partial\ln q}{\partial\beta},\qquad S = Nk_{\mathrm B}\left[\ln\frac qN + 1\right] + \frac UT \tag{5.7} F = − N k B T [ ln N q + 1 ] , U = − N ∂ β ∂ ln q , S = N k B [ ln N q + 1 ] + T U ( 5.7 )
以及
p = N k B T ∂ ln q ∂ V , μ = ∂ F ∂ N = − k B T ln q N (5.8) p = Nk_{\mathrm B}T\frac{\partial\ln q}{\partial V},\qquad \mu = \frac{\partial F}{\partial N} = -k_{\mathrm B}T\ln\frac qN \tag{5.8} p = N k B T ∂ V ∂ ln q , μ = ∂ N ∂ F = − k B T ln N q ( 5.8 )
(求 μ \mu μ :F = − k B T [ N ln q − N ln N + N ] F = -k_{\mathrm B}T[N\ln q - N\ln N + N] F = − k B T [ N ln q − N ln N + N ] ,对 N N N 求导得 − k B T [ ln q − ln N ] -k_{\mathrm B}T[\ln q - \ln N] − k B T [ ln q − ln N ] 。)由 (5.8) ,e β μ = N / q e^{\beta\mu} = N/q e β μ = N / q ,代入 (5.2) :
N l = g l e − β ( ε l − μ ) (5.9) N_l = g_le^{-\beta(\varepsilon_l - \mu)} \tag{5.9} N l = g l e − β ( ε l − μ ) ( 5.9 )
这个形式在量子统计中会再次出现:费米–狄拉克分布与玻色–爱因斯坦分布在稀薄极限下都约化为 (5.9) (§8.6 )。
§5.4 麦克斯韦速度分布
对没有外场的经典气体,单个分子处于相空间体积元 d 3 r d 3 p d^3r\,d^3p d 3 r d 3 p 中的概率正比于 e − β p 2 / 2 m d 3 r d 3 p e^{-\beta p^2/2m}d^3r\,d^3p e − β p 2 /2 m d 3 r d 3 p ((4.4) 的单粒子版本)。对位置积分(给出常数因子 V V V ),再归一化(三个方向各一个高斯积分):
f ( p ) d 3 p = 1 ( 2 π m k B T ) 3 / 2 e − p 2 / 2 m k B T d 3 p f(\mathbf p)\,d^3p = \frac{1}{(2\pi mk_{\mathrm B}T)^{3/2}}\,e^{-p^2/2mk_{\mathrm B}T}\,d^3p f ( p ) d 3 p = ( 2 πm k B T ) 3/2 1 e − p 2 /2 m k B T d 3 p
改用速度 v = p / m \mathbf v = \mathbf p/m v = p / m (d 3 p = m 3 d 3 v d^3p = m^3d^3v d 3 p = m 3 d 3 v ,提示 C7 ):
f ( v ) d 3 v = ( m 2 π k B T ) 3 / 2 e − m v 2 / 2 k B T d 3 v (5.10) f(\mathbf v)\,d^3v = \left(\frac{m}{2\pi k_{\mathrm B}T}\right)^{3/2}e^{-mv^2/2k_{\mathrm B}T}\,d^3v \tag{5.10} f ( v ) d 3 v = ( 2 π k B T m ) 3/2 e − m v 2 /2 k B T d 3 v ( 5.10 )
随机变量的变换
若 y = y ( x ) y = y(x) y = y ( x ) 是一一变换,则 p Y ( y ) d y = p X ( x ) d x p_Y(y)\,dy = p_X(x)\,dx p Y ( y ) d y = p X ( x ) d x ,即 p Y ( y ) = p X ( x ) ∣ d x / d y ∣ p_Y(y) = p_X(x)\,\lvert dx/dy\rvert p Y ( y ) = p X ( x ) ∣ d x / d y ∣ ;多维时换成雅可比行列式的绝对值。(详见附录 C7 。)
(5.10) 是三个独立的高斯分布之积:每个速度分量的均值为 0,方差为 k B T / m k_{\mathrm B}T/m k B T / m 。
速率分布 。只关心速率 v = ∣ v ∣ v = \lvert\mathbf v\rvert v = ∣ v ∣ 时,用球坐标 d 3 v = v 2 sin θ d v d θ d φ d^3v = v^2\sin\theta\,dv\,d\theta\,d\varphi d 3 v = v 2 sin θ d v d θ d φ (提示 A6 ),对方向积分得 4 π v 2 d v 4\pi v^2dv 4 π v 2 d v :
F ( v ) d v = 4 π ( m 2 π k B T ) 3 / 2 v 2 e − m v 2 / 2 k B T d v (5.11) F(v)\,dv = 4\pi\left(\frac{m}{2\pi k_{\mathrm B}T}\right)^{3/2}v^2e^{-mv^2/2k_{\mathrm B}T}\,dv \tag{5.11} F ( v ) d v = 4 π ( 2 π k B T m ) 3/2 v 2 e − m v 2 /2 k B T d v ( 5.11 )
记 a = m / ( 2 k B T ) a = m/(2k_{\mathrm B}T) a = m / ( 2 k B T ) ,利用 (2.9) :
最可几速率 :d d v ( v 2 e − a v 2 ) = ( 2 v − 2 a v 3 ) e − a v 2 = 0 \frac{d}{dv}(v^2e^{-av^2}) = (2v - 2av^3)e^{-av^2} = 0 d v d ( v 2 e − a v 2 ) = ( 2 v − 2 a v 3 ) e − a v 2 = 0 ,得 v p = 2 k B T / m v_{\mathrm p} = \sqrt{2k_{\mathrm B}T/m} v p = 2 k B T / m ;
平均速率 :⟨ v ⟩ = 4 π ( a / π ) 3 / 2 ∫ 0 ∞ v 3 e − a v 2 d v = 4 π ( a / π ) 3 / 2 ⋅ 1 2 a 2 = 2 π a = 8 k B T π m \langle v\rangle = 4\pi(a/\pi)^{3/2}\int_0^\infty v^3e^{-av^2}dv = 4\pi(a/\pi)^{3/2}\cdot\frac{1}{2a^2} = \frac{2}{\sqrt{\pi a}} = \sqrt{\frac{8k_{\mathrm B}T}{\pi m}} ⟨ v ⟩ = 4 π ( a / π ) 3/2 ∫ 0 ∞ v 3 e − a v 2 d v = 4 π ( a / π ) 3/2 ⋅ 2 a 2 1 = πa 2 = πm 8 k B T ;
方均根速率 :⟨ v 2 ⟩ = 4 π ( a / π ) 3 / 2 ⋅ 3 π 8 a − 5 / 2 = 3 2 a \langle v^2\rangle = 4\pi(a/\pi)^{3/2}\cdot\frac{3\sqrt\pi}{8}a^{-5/2} = \frac{3}{2a} ⟨ v 2 ⟩ = 4 π ( a / π ) 3/2 ⋅ 8 3 π a − 5/2 = 2 a 3 ,即 v r m s = 3 k B T / m v_{\mathrm{rms}} = \sqrt{3k_{\mathrm B}T/m} v rms = 3 k B T / m 。
v p : ⟨ v ⟩ : v r m s = 2 : 8 / π : 3 ≈ 1 : 1.128 : 1.225 (5.12) v_{\mathrm p}:\langle v\rangle:v_{\mathrm{rms}} = \sqrt2:\sqrt{8/\pi}:\sqrt3\approx1:1.128:1.225 \tag{5.12} v p : ⟨ v ⟩ : v rms = 2 : 8/ π : 3 ≈ 1 : 1.128 : 1.225 ( 5.12 )
例:300 K 的 N 2 \mathrm N_2 N 2 ,v r m s = 3 k B T / m ≈ 517 v_{\mathrm{rms}} = \sqrt{3k_{\mathrm B}T/m}\approx517 v rms = 3 k B T / m ≈ 517 m/s。
当前温度的 F ( v ) F(v) F ( v ) ,(5.11) 同一种气体在 300 KF ( v ) / 1 0 − 3 s m − 1 F(v)\ /\ 10^{-3}\,\mathrm{s\,m^{-1}} F ( v ) / 1 0 − 3 s m − 1 v / m s − 1 v\ /\ \mathrm{m\,s^{-1}} v / m s − 1
v p / m s − 1 v_{\mathrm p}\ /\ \mathrm{m\,s^{-1}} v p / m s − 1 —
⟨ v ⟩ / m s − 1 \langle v\rangle\ /\ \mathrm{m\,s^{-1}} ⟨ v ⟩ / m s − 1 —
v r m s / m s − 1 v_{\mathrm{rms}}\ /\ \mathrm{m\,s^{-1}} v rms / m s − 1 —
图 5.1 麦克斯韦速率分布 (5.11)。三条竖线依次是最可几速率、平均速率和方均根速率,比值恒为 1 : 1.128 : 1.225 1:1.128:1.225 1 : 1.128 : 1.225 。温度升高或分子变轻,分布都向高速移动并变宽。这张图需要打开浏览器的 JavaScript 才能显示。
由分子运动论计算压强——确认 β = 1 / ( k B T ) \beta = 1/(k_{\mathrm B}T) β = 1/ ( k B T ) 。取垂直于 x x x 轴的器壁面积 A A A 。速度在 d 3 v d^3v d 3 v 内且 v x > 0 v_x>0 v x > 0 的分子,在时间 d t dt d t 内能撞到器壁的,是位于以 A A A 为底、v x d t v_x\,dt v x d t 为高的柱体内的那些,数目为 n f ( v ) d 3 v ⋅ A v x d t nf(\mathbf v)\,d^3v\cdot Av_x\,dt n f ( v ) d 3 v ⋅ A v x d t (n = N / V n = N/V n = N / V )。每次弹性碰撞传给器壁动量 2 m v x 2mv_x 2 m v x 。所以
p = 1 A d t ∫ v x > 0 2 m v x ⋅ n f ( v ) A v x d t d 3 v = n m ∫ v x 2 f ( v ) d 3 v = n m ⟨ v x 2 ⟩ (5.13) p = \frac{1}{A\,dt}\int_{v_x>0}2mv_x\cdot nf(\mathbf v)\,Av_x\,dt\,d^3v = nm\int v_x^2f(\mathbf v)\,d^3v = nm\langle v_x^2\rangle \tag{5.13} p = A d t 1 ∫ v x > 0 2 m v x ⋅ n f ( v ) A v x d t d 3 v = nm ∫ v x 2 f ( v ) d 3 v = nm ⟨ v x 2 ⟩ ( 5.13 )
(f f f 关于 v x v_x v x 是偶函数,半空间积分的 2 倍等于全空间积分。)若把 f f f 中的参数记为 β \beta β ,则 ⟨ v x 2 ⟩ = 1 / ( β m ) \langle v_x^2\rangle = 1/(\beta m) ⟨ v x 2 ⟩ = 1/ ( β m ) ,p = n / β p = n/\beta p = n / β 。与实验定律 p = n R T / N A p = nRT/N_{\mathrm A} p = n RT / N A 比较,β = 1 / ( k B T ) \beta = 1/(k_{\mathrm B}T) β = 1/ ( k B T ) ,k B = R / N A k_{\mathrm B} = R/N_{\mathrm A} k B = R / N A ——与 §3.6 的结论相同。
外场中的分布:气压公式 。在重力场中 H = p 2 / 2 m + m g z \mathcal H = p^2/2m + mgz H = p 2 /2 m + m g z ,单分子概率密度 ∝ e − β p 2 / 2 m e − β m g z \propto e^{-\beta p^2/2m}e^{-\beta mgz} ∝ e − β p 2 /2 m e − β m g z 。对动量积分后,分子数密度随高度的分布为
n ( z ) = n ( 0 ) e − m g z / k B T (5.14) n(z) = n(0)\,e^{-mgz/k_{\mathrm B}T} \tag{5.14} n ( z ) = n ( 0 ) e − m g z / k B T ( 5.14 )
特征高度 k B T / ( m g ) k_{\mathrm B}T/(mg) k B T / ( m g ) 对 300 K 的 N 2 \mathrm N_2 N 2 约为 9 km。
§5.5 能量均分定理
广义能量均分定理 。设 x i x_i x i 、x j x_j x j 是相空间变量中的任意两个(坐标或动量),且在 x j x_j x j 的积分区域边界上 e − β H → 0 e^{-\beta\mathcal H}\to0 e − β H → 0 。则
⟨ x i ∂ H ∂ x j ⟩ = δ i j k B T (5.15) \left\langle x_i\frac{\partial\mathcal H}{\partial x_j}\right\rangle = \delta_{ij}\,k_{\mathrm B}T \tag{5.15} ⟨ x i ∂ x j ∂ H ⟩ = δ ij k B T ( 5.15 )
证明 :注意 ∂ H ∂ x j e − β H = − 1 β ∂ ∂ x j e − β H \frac{\partial\mathcal H}{\partial x_j}e^{-\beta\mathcal H} = -\frac1\beta\frac{\partial}{\partial x_j}e^{-\beta\mathcal H} ∂ x j ∂ H e − β H = − β 1 ∂ x j ∂ e − β H ,对 x j x_j x j 分部积分(其余变量照常积分):
∫ x i ∂ H ∂ x j e − β H d Γ = − 1 β ∫ [ x i e − β H ] x j 的两端 d Γ ′ + 1 β ∫ ∂ x i ∂ x j e − β H d Γ = δ i j β ∫ e − β H d Γ \int x_i\frac{\partial\mathcal H}{\partial x_j}e^{-\beta\mathcal H}d\Gamma = -\frac1\beta\int\Big[x_ie^{-\beta\mathcal H}\Big]_{x_j\text{ 的两端}}d\Gamma' + \frac1\beta\int\frac{\partial x_i}{\partial x_j}e^{-\beta\mathcal H}d\Gamma = \frac{\delta_{ij}}{\beta}\int e^{-\beta\mathcal H}d\Gamma ∫ x i ∂ x j ∂ H e − β H d Γ = − β 1 ∫ [ x i e − β H ] x j 的两端 d Γ ′ + β 1 ∫ ∂ x j ∂ x i e − β H d Γ = β δ ij ∫ e − β H d Γ
(d Γ ′ d\Gamma' d Γ ′ 表示除 x j x_j x j 以外的变量的体积元。)边界项为零,两边除以 ∫ e − β H d Γ \int e^{-\beta\mathcal H}d\Gamma ∫ e − β H d Γ 即得 (5.15) 。
平方项 。若 H \mathcal H H 中含有一项 A x 2 Ax^2 A x 2 (A > 0 A>0 A > 0 与 x x x 无关),且 H \mathcal H H 的其余部分不含 x x x ,则 x ∂ H / ∂ x = 2 A x 2 x\,\partial\mathcal H/\partial x = 2Ax^2 x ∂ H / ∂ x = 2 A x 2 ,由 (5.15) :
⟨ A x 2 ⟩ = 1 2 k B T (5.16) \langle Ax^2\rangle = \frac12k_{\mathrm B}T \tag{5.16} ⟨ A x 2 ⟩ = 2 1 k B T ( 5.16 )
每个平方项对平均能量贡献 1 2 k B T \frac12k_{\mathrm B}T 2 1 k B T 。(也可以直接用高斯积分验证:⟨ A x 2 ⟩ = − ∂ ∂ β ln ∫ e − β A x 2 d x = − ∂ ∂ β ln π / ( β A ) = 1 2 β \langle Ax^2\rangle = -\frac{\partial}{\partial\beta}\ln\int e^{-\beta Ax^2}dx = -\frac{\partial}{\partial\beta}\ln\sqrt{\pi/(\beta A)} = \frac{1}{2\beta} ⟨ A x 2 ⟩ = − ∂ β ∂ ln ∫ e − β A x 2 d x = − ∂ β ∂ ln π / ( β A ) = 2 β 1 。)
更一般地,若 H \mathcal H H 是 f f f 个变量的二次齐次函数(任意二次型,可以含交叉项,提示 B1 ),由欧拉定理(提示 A9 ,k = 2 k = 2 k = 2 )∑ i x i ∂ H / ∂ x i = 2 H \sum_ix_i\,\partial\mathcal H/\partial x_i = 2\mathcal H ∑ i x i ∂ H / ∂ x i = 2 H ,对 (5.15) 中 i = j i = j i = j 的各项求和:
⟨ H ⟩ = f 2 k B T , C V = f 2 k B (5.17) \langle\mathcal H\rangle = \frac f2k_{\mathrm B}T,\qquad C_V = \frac f2k_{\mathrm B} \tag{5.17} ⟨ H ⟩ = 2 f k B T , C V = 2 f k B ( 5.17 )
应用与困难 :
系统 平方项 经典预言 C V , m C_{V,\mathrm m} C V , m 实验(室温附近) 单原子气体 3(平动) 3 2 R = 12.5 \frac32R = 12.5 2 3 R = 12.5 J/(mol K)He、Ar:12.5,符合 双原子气体(刚性) 3 平动 + 2 转动 5 2 R = 20.8 \frac52R = 20.8 2 5 R = 20.8 J/(mol K)N 2 \mathrm N_2 N 2 :20.8,符合双原子气体(含振动) 再加振动动能、势能各 1 7 2 R = 29.1 \frac72R = 29.1 2 7 R = 29.1 J/(mol K)室温不符,只在高温下趋近 固体(每原子三维振动) 3 动能 + 3 势能 3 R = 24.9 3R = 24.9 3 R = 24.9 J/(mol K)(杜隆–珀蒂)金刚石:约 6.1,不符
经典理论有三个无法解释的事实:(1) 室温下双原子分子的振动"不参与"均分;(2) 低温下 H 2 \mathrm H_2 H 2 的 C V C_V C V 降到 3 2 R \frac32R 2 3 R ,转动也"冻结"了;(3) 固体热容在低温下趋于零(第三定律 (1.26) 的要求)。经典均分对每个平方项都给出 1 2 k B T \frac12k_{\mathrm B}T 2 1 k B T ,与该自由度的"刚度"无关,所以无法解释"冻结"。原因是能量的量子化 :当能级间隔远大于 k B T k_{\mathrm B}T k B T 时,该自由度几乎全处于基态,对热容没有贡献。第6 、7章 将定量处理。
§5.6 经典统计的适用条件
(1) 平动的经典处理与 N ! N! N ! 修正 。(4.19) 要求单粒子态的平均占据数远小于 1。由 (4.20) ,单个态 j j j 的平均粒子数为 N e − β ε j / q ≤ N / q Ne^{-\beta\varepsilon_j}/q\le N/q N e − β ε j / q ≤ N / q (取基态能量为零)。对理想气体 q = V / λ 3 q = V/\lambda^3 q = V / λ 3 (只考虑平动),条件是
N q = N λ 3 V = n λ 3 ≪ 1 (5.18) \frac{N}{q} = \frac{N\lambda^3}{V} = n\lambda^3\ll1 \tag{5.18} q N = V N λ 3 = n λ 3 ≪ 1 ( 5.18 )
即粒子间平均距离 n − 1 / 3 n^{-1/3} n − 1/3 远大于热波长 λ \lambda λ ,波包几乎不重叠。
室温常压的 N 2 \mathrm{N_2} N 2 :λ ≈ 0.019 \lambda\approx0.019 λ ≈ 0.019 nm,n ≈ 2.4 × 1 0 25 m − 3 n\approx2.4\times10^{25}\ \mathrm{m^{-3}} n ≈ 2.4 × 1 0 25 m − 3 ,n λ 3 ≈ 1.7 × 1 0 − 7 n\lambda^3\approx1.7\times10^{-7} n λ 3 ≈ 1.7 × 1 0 − 7 ,经典统计极好;
铜中的传导电子:m e m_{\mathrm e} m e 很小,室温下 λ ≈ 4.3 \lambda\approx4.3 λ ≈ 4.3 nm,n ≈ 8.5 × 1 0 28 m − 3 n\approx8.5\times10^{28}\ \mathrm{m^{-3}} n ≈ 8.5 × 1 0 28 m − 3 ,n λ 3 ≈ 7 × 1 0 3 ≫ 1 n\lambda^3\approx7\times10^3\gg1 n λ 3 ≈ 7 × 1 0 3 ≫ 1 ,必须用量子(费米)统计(第13章 )。
(2) 内部自由度的经典处理 。某个自由度能用经典均分处理,要求 k B T k_{\mathrm B}T k B T 远大于其能级间隔。转动、振动等内部自由度往往不满足这一条件,需要用量子能级计算其配分函数(第6 、7章 )。
自测题
由 (5.11) 求 ⟨ 1 / v ⟩ \langle1/v\rangle ⟨ 1/ v ⟩ 。[答:2 m / ( π k B T ) \sqrt{2m/(\pi k_{\mathrm B}T)} 2 m / ( π k B T ) ]
容器壁上有一个面积为 A A A 的小孔。证明单位时间从小孔逸出的分子数为 1 4 n ⟨ v ⟩ A \frac14n\langle v\rangle A 4 1 n ⟨ v ⟩ A 。
若某个自由度的能量为 A ∣ x ∣ s A\lvert x\rvert^s A ∣ x ∣ s (s > 0 s>0 s > 0 ),用 (5.15) 证明其平均值为 k B T / s k_{\mathrm B}T/s k B T / s 。s = 2 s=2 s = 2 时回到 (5.16) 。
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