统计物理 · 第三部分 量子统计 · 第 14 章

理想玻色气体与玻色–爱因斯坦凝聚

The Ideal Bose Gas and Bose–Einstein Condensation
已完成讲义更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0
本章目标

(1) 说明理想玻色气体在低温下为什么会有宏观数目的粒子"凝聚"到单粒子基态,并求出凝聚温度;(2) 计算凝聚相的热力学,看到热容在凝聚温度处的尖点;(3) 理解这一相变的性质:动量空间中的凝聚、平坦的等温线与潜热;(4) 讨论液氦-4 的超流与稀薄原子气体中的凝聚,并说明理想气体模型在哪里不够用。

§14.1化学势趋于零:凝聚的出现

考虑 NN 个质量为 mm、自旋简并度为 gsg_s 的无相互作用玻色子,装在体积 VV 中,取单粒子基态的能量为零。由 §12.2,必须 μ<0\mu<0,即 0<z<10<z<1。由 (12.9),在给定 TT 与 n=N/Vn = N/V 时,逸度由下式决定:

nλ3gs=b3/2(z)\frac{n\lambda^3}{g_s} = b_{3/2}(z)

一个矛盾。由级数 (12.7),b3/2(z)=∑lzl/l3/2b_{3/2}(z) = \sum_lz^l/l^{3/2} 的每一项都随 zz 增大,所以 b3/2b_{3/2} 是 zz 的增函数;而当 z→1z\to1 时它趋于一个有限值 ζ(3/2)≈2.612\zeta(3/2)\approx2.612。降低温度时 λ∝T−1/2\lambda\propto T^{-1/2} 增大,左边随之增大,zz 也随之增大;当 nλ3/gsn\lambda^3/g_s 达到 ζ(3/2)\zeta(3/2) 时,zz 已经等于 1。再降低温度,这个方程就没有解了:激发态"装不下"全部粒子。

级数的收敛

∑l=1∞l−s\sum_{l=1}^\infty l^{-s} 当 s>1s>1 时收敛,s≤1s\le1 时发散:与积分 ∫1∞x−sdx\int_1^\infty x^{-s}dx 比较即知。所以 ζ(3/2)\zeta(3/2)、ζ(5/2)\zeta(5/2) 有限,而 b1/2(z)b_{1/2}(z) 与 b1(z)=∑lzl/l=−ln⁡(1−z)b_1(z) = \sum_lz^l/l = -\ln(1-z) 在 z→1z\to1 时发散。(详见 §A10.1。)

化解。§12.3 已经提醒过:把对态求和换成以 g(ε)∝ε1/2g(\varepsilon)\propto\varepsilon^{1/2} 为权的积分时,单粒子基态 ε=0\varepsilon = 0 的权重为零,被丢掉了。只要基态的粒子数不是宏观的,这无关紧要。但由 (12.3),基态的平均粒子数为 z/(1−z)z/(1-z),当 z→1z\to1 时它可以任意大。所以应当把基态单独写出:

N=N0+Nex,N0=z1−z,Nex=gsVλ3 b3/2(z)(14.1)N = N_0 + N_{\mathrm{ex}},\qquad N_0 = \frac{z}{1-z},\qquad N_{\mathrm{ex}} = \frac{g_sV}{\lambda^3}\,b_{3/2}(z) \tag{14.1}

NexN_{\mathrm{ex}} 是处于各激发态的粒子总数,仍然可以用积分计算(理由见本节末)。

两个温区:

  • 高温:激发态就能容纳全部粒子,zz 与 1 有一个有限的差,N0=z/(1−z)N_0 = z/(1-z) 只是 O(1)O(1) 的数,可以忽略。
  • 低温:激发态最多只能容纳 gsVζ(3/2)/λ3g_sV\zeta(3/2)/\lambda^3 个粒子,其余的粒子只能进入基态,N0N_0 是宏观的(正比于 NN)。由 N0=z/(1−z)N_0 = z/(1-z) 得 1−z≈1/N01 - z\approx1/N_0;对 N∼1023N\sim10^{23},zz 与 1 的差别完全可以忽略,取 z=1z = 1。

两个温区的分界由 N=gsVζ(3/2)/λ3N = g_sV\zeta(3/2)/\lambda^3 给出,即 nλc3=gsζ(3/2)n\lambda_c^3 = g_s\zeta(3/2)。用 λ2=2πℏ2/(mkBT)\lambda^2 = 2\pi\hbar^2/(mk_{\mathrm B}T) 解出

kBTc=2πℏ2m(ngsζ(3/2))2/3(14.2)k_{\mathrm B}T_c = \frac{2\pi\hbar^2}{m}\left(\frac{n}{g_s\zeta(3/2)}\right)^{2/3} \tag{14.2}

T<TcT<T_c 时 z=1z = 1,Nex=N(λc/λ)3=N(T/Tc)3/2N_{\mathrm{ex}} = N(\lambda_c/\lambda)^3 = N(T/T_c)^{3/2},所以

N0N=1−(TTc)3/2(T<Tc)(14.3)\frac{N_0}{N} = 1 - \left(\frac{T}{T_c}\right)^{3/2}\qquad(T<T_c) \tag{14.3}

T→0T\to0 时全部粒子都进入基态。宏观数目的粒子占据同一个单粒子态的现象称为玻色–爱因斯坦凝聚(BEC),处于基态的那部分粒子称为凝聚体。条件 nλ3≈2.6gsn\lambda^3\approx2.6g_s 有一个直观的意义:当粒子的热波长与粒子间距相当、波包开始重叠时,凝聚发生。

为什么只有基态是宏观占据的。z=1z = 1 时,第一激发态(周期性边界条件下 ε1=ℏ22m(2πL)2\varepsilon_1 = \frac{\hbar^2}{2m}\left(\frac{2\pi}{L}\right)^2)的平均粒子数为 1/(eβε1−1)≈kBT/ε11/(e^{\beta\varepsilon_1} - 1)\approx k_{\mathrm B}T/\varepsilon_1,用 λ2=2πℏ2/(mkBT)\lambda^2 = 2\pi\hbar^2/(mk_{\mathrm B}T) 化简得 L2/(πλ2)L^2/(\pi\lambda^2)。而 N≈2.6L3/λ3N\approx2.6L^3/\lambda^3,两者之比约为 λ/(8L)\lambda/(8L),在 L→∞L\to\infty 时趋于零。所以每个激发态上的粒子数最多只是 N2/3N^{2/3} 量级,不是宏观的;把激发态的求和换成积分,在热力学极限下不会引起误差。

数值。液氦-4 的密度为 0.145 g/cm³,n=2.18×1028 m−3n = 2.18\times10^{28}\ \mathrm{m^{-3}},gs=1g_s = 1,由 (14.2) 得 Tc≈3.1T_c\approx3.1 K。稀薄的 87Rb^{87}\mathrm{Rb} 原子气体,当 n=1020 m−3n = 10^{20}\ \mathrm{m^{-3}} 时 Tc≈0.4 μKT_c\approx0.4\ \mu\mathrm K:气体越稀薄、原子越重,所需的温度越低。

§14.2凝聚相的热力学

T<TcT<T_c。凝聚体的粒子能量为零,对 UU 没有贡献;它们对 ln⁡Ξ\ln\Xi 的贡献 −ln⁡(1−z)=ln⁡(1+N0)-\ln(1-z) = \ln(1 + N_0) 只是 O(ln⁡N)O(\ln N),对 pV=kBTln⁡ΞpV = k_{\mathrm B}T\ln\Xi 的贡献也可以忽略。所以压强与能量只由激发态的粒子决定。在 (12.9) 中令 z=1z = 1:

p=gskBTλ3 ζ(5/2)∝T5/2(T<Tc)(14.4)p = \frac{g_sk_{\mathrm B}T}{\lambda^3}\,\zeta(5/2)\propto T^{5/2}\qquad(T<T_c) \tag{14.4}

压强只依赖于温度,与密度无关:压缩气体只是把更多的粒子挤进凝聚体,而凝聚体不贡献压强。能量由 (12.8) 得 U=32pVU = \frac32pV。用 gsV/λ3=Nζ(3/2)(TTc)3/2g_sV/\lambda^3 = \frac{N}{\zeta(3/2)}\left(\frac{T}{T_c}\right)^{3/2}:

U=32ζ(5/2)ζ(3/2)NkBT(TTc)3/2≈0.770 NkBT(TTc)3/2(14.5)U = \frac32\frac{\zeta(5/2)}{\zeta(3/2)}Nk_{\mathrm B}T\left(\frac{T}{T_c}\right)^{3/2}\approx0.770\,Nk_{\mathrm B}T\left(\frac{T}{T_c}\right)^{3/2} \tag{14.5}
CV=154ζ(5/2)ζ(3/2)NkB(TTc)3/2≈1.926 NkB(TTc)3/2(14.6)C_V = \frac{15}{4}\frac{\zeta(5/2)}{\zeta(3/2)}Nk_{\mathrm B}\left(\frac{T}{T_c}\right)^{3/2}\approx1.926\,Nk_{\mathrm B}\left(\frac{T}{T_c}\right)^{3/2} \tag{14.6}

熵:由欧拉关系 (1.23),TS=U+pV−μNTS = U + pV - \mu N,而 μ=0\mu = 0,所以

S=52pVT=52ζ(5/2)ζ(3/2)NkB(TTc)3/2(14.7)S = \frac52\frac{pV}{T} = \frac52\frac{\zeta(5/2)}{\zeta(3/2)}Nk_{\mathrm B}\left(\frac{T}{T_c}\right)^{3/2} \tag{14.7}

SS 正比于激发态粒子数 NexN_{\mathrm{ex}}:每个激发态粒子平均带有熵 52ζ(5/2)ζ(3/2)kB≈1.28 kB\frac52\frac{\zeta(5/2)}{\zeta(3/2)}k_{\mathrm B}\approx1.28\,k_{\mathrm B},而凝聚体中的粒子全部处于同一个量子态,不带熵。T→0T\to0 时 S→0S\to0,满足第三定律——与经典理想气体的萨克尔–特多德熵 (3.16) 在 T→0T\to0 时趋于 −∞-\infty 形成对照。

T>TcT>T_c。由 (12.9),U=32kBTgsVλ3b5/2(z)U = \frac32k_{\mathrm B}T\frac{g_sV}{\lambda^3}b_{5/2}(z),其中 z(T)z(T) 由 b3/2(z)=nλ3/gs∝T−3/2b_{3/2}(z) = n\lambda^3/g_s\propto T^{-3/2} 决定。对后者求导,并用 zddzbν=bν−1z\frac{d}{dz}b_\nu = b_{\nu-1}(§12.3):

b1/2(z)zdzdT=−32Tb3/2(z)\frac{b_{1/2}(z)}{z}\frac{dz}{dT} = -\frac{3}{2T}b_{3/2}(z)

再对 UU 求导(注意 T/λ3∝T5/2T/\lambda^3\propto T^{5/2}):

dUdT=32kBgsVλ3[52b5/2+Tb3/21zdzdT]=32kBgsVλ3[52b5/2−32b3/22b1/2]\frac{dU}{dT} = \frac32k_{\mathrm B}\frac{g_sV}{\lambda^3}\left[\frac52b_{5/2} + Tb_{3/2}\frac1z\frac{dz}{dT}\right] = \frac32k_{\mathrm B}\frac{g_sV}{\lambda^3}\left[\frac52b_{5/2} - \frac32\frac{b_{3/2}^2}{b_{1/2}}\right]

除以 N=gsVb3/2/λ3N = g_sVb_{3/2}/\lambda^3:

CVNkB=154b5/2(z)b3/2(z)−94b3/2(z)b1/2(z)(T>Tc)(14.8)\frac{C_V}{Nk_{\mathrm B}} = \frac{15}{4}\frac{b_{5/2}(z)}{b_{3/2}(z)} - \frac94\frac{b_{3/2}(z)}{b_{1/2}(z)}\qquad(T>T_c) \tag{14.8}
  • T→∞T\to\infty:z→0z\to0,bν≈zb_\nu\approx z,CV→(154−94)NkB=32NkBC_V\to\left(\frac{15}{4} - \frac94\right)Nk_{\mathrm B} = \frac32Nk_{\mathrm B},回到经典值。
  • T→Tc+T\to T_c^+:z→1z\to1,b1/2→∞b_{1/2}\to\infty(提示 A10),第二项趋于零,CV→154ζ(5/2)ζ(3/2)NkBC_V\to\frac{15}{4}\frac{\zeta(5/2)}{\zeta(3/2)}Nk_{\mathrm B},与 (14.6) 在 TcT_c 处的值相同。

所以 CVC_V 在 TcT_c 处连续,并在那里取最大值 1.926NkB1.926Nk_{\mathrm B}(超过经典值 1.5NkB1.5Nk_{\mathrm B}),但斜率不连续:TcT_c 以下按 T3/2T^{3/2} 上升,TcT_c 以上逐渐降回 32NkB\frac32Nk_{\mathrm B}。数值结果(对 T>TcT>T_c,先解 b3/2(z)=ζ(3/2)(Tc/T)3/2b_{3/2}(z) = \zeta(3/2)(T_c/T)^{3/2} 求出 zz,再代入 (14.8)):

T/TcT/T_c0.50.811.21.5235
CV/NkBC_V/Nk_{\mathrm B}0.681.381.931.811.711.631.571.53
N0/NN_0/N0.650.28000000
左:凝聚分数 N0/NN_0/N,(14.3);右:热容逸度 zz
T/TcT/T_c
CV/NkBC_V/Nk_{\mathrm B}
T/TcT/T_c
N0/NN_0/N
—
zz
—
CV/NkBC_V/Nk_{\mathrm B}
—
图 14.1理想玻色气体。T<TcT<T_c 时逸度 z=1z = 1,基态被宏观占据;T>TcT>T_c 时 zz 由 b3/2(z)=ζ(3/2)(Tc/T)3/2b_{3/2}(z) = \zeta(3/2)(T_c/T)^{3/2} 决定。热容在 TcT_c 处连续但有一个尖点:以下按 (14.6) 的 T3/2T^{3/2} 上升到 1.926NkB1.926Nk_{\mathrm B},以上按 (14.8) 降回经典值。

§14.3相变的性质

动量空间中的凝聚。凝聚体中的粒子都处于 p=0\mathbf p = 0 的单粒子态,其波函数在整个容器中是均匀的。所以这种凝聚不是粒子在空间中聚成液滴(不像蒸气凝结成液体),而是粒子在动量空间中聚集到一点。

平坦的等温线。由 (14.4),T<TcT<T_c 时压强与体积无关:在 pp–vv 图上等温线是水平的,与液–气共存区的等温线相似(§P4.4)。凝聚区的边界由 nλ3=gsζ(3/2)n\lambda^3 = g_s\zeta(3/2) 给出,即 kBTc∝v−2/3k_{\mathrm B}T_c\propto v^{-2/3}(v=1/nv = 1/n);在这条边界线上,由 (14.4),

p=ζ(5/2)ζ(3/2)kBTc(v)v∝v−5/3(14.9)p = \frac{\zeta(5/2)}{\zeta(3/2)}\frac{k_{\mathrm B}T_c(v)}{v}\propto v^{-5/3} \tag{14.9}

于是可以把凝聚区看作两"相"的共存:比体积为 vc=λ3/(gsζ(3/2))v_c = \lambda^3/(g_s\zeta(3/2)) 的"正常相"(激发态粒子),与比体积为零、熵为零的"凝聚相"。

潜热。在 pp–TT 平面上,共存线就是 (14.4) 给出的 p0(T)∝T5/2p_0(T)\propto T^{5/2},dp0/dT=52p0/Tdp_0/dT = \frac52p_0/T。由克拉珀龙方程 (P4.2),取 Δv=vc−0\Delta v = v_c - 0,并代入 p0vc=ζ(5/2)ζ(3/2)kBTp_0v_c = \frac{\zeta(5/2)}{\zeta(3/2)}k_{\mathrm B}T:

ℓ=T Δv dp0dT=52ζ(5/2)ζ(3/2)kBT≈1.28 kBT(14.10)\ell = T\,\Delta v\,\frac{dp_0}{dT} = \frac52\frac{\zeta(5/2)}{\zeta(3/2)}k_{\mathrm B}T\approx1.28\,k_{\mathrm B}T \tag{14.10}

它恰好等于 TT 乘以每个激发态粒子的熵((14.7) 后的说明):粒子从正常相进入凝聚相时放出潜热。所以在 pp–TT 平面上看,理想玻色气体的凝聚是一级相变;而在固定密度下降温时,我们看到的是热容的尖点。

涨落的病态。凝聚区中 (∂p/∂v)T=0(\partial p/\partial v)_T = 0,即 κT=∞\kappa_T = \infty;由 (8.8),巨正则系综中的粒子数涨落发散。确实,由 (12.4),基态粒子数的涨落为 N0(1+N0)≈N02N_0(1 + N_0)\approx N_0^2,与 N0N_0 本身同一量级。这是"完全没有相互作用"这一理想化的后果:真实玻色系统中粒子间的排斥使压缩率有限,涨落回到正常的 N−1/2N^{-1/2} 量级(第四部分)。

§14.4液氦-4 与超流

液氦。4^4He 原子由 2 个质子、2 个中子与 2 个电子组成,总自旋为零,是玻色子。氦原子之间的吸引很弱,原子又很轻,零点振动(§P2.3)足以阻止它结晶:常压下液氦一直到绝对零度都不凝固,要加压到约 25 个大气压才会固化。所以液氦是唯一能在 T→0T\to0 时研究的"量子液体"。

λ 相变与超流。常压下液氦-4 在 Tλ=2.17T_\lambda = 2.17 K 处发生相变,热容出现形如希腊字母 λ 的尖峰(在很宽的温区内近似按 ln⁡∣T−Tλ∣\ln\lvert T - T_\lambda\rvert 发散;更精确的测量见 §19.6)。低于 TλT_\lambda 的液氦(称为 He II)表现出一系列奇特的性质:

  • 能无阻力地流过极细的毛细管与缝隙(超流);
  • 温度差可以驱动液体流动,甚至使它从细管顶端喷出("喷泉效应");
  • 热导率极高,热量以波的形式传播;
  • 旋转的 He II 中出现环量量子化的涡旋。

与 BEC 的关系。伦敦(1938)注意到:把液氦的密度代入理想玻色气体的公式 (14.2),得到 Tc≈3.1T_c\approx3.1 K,与 2.17 K 相当接近;而由费米子 3^3He 组成的液体在这个温区没有类似的相变(3^3He 要到约 2.5 mK 才通过原子"配对"成为超流体)。这强烈地暗示:λ 相变是玻色–爱因斯坦凝聚在强相互作用液体中的表现。但两者也有明显的差别:

  • 热容的形状不同:理想气体是有限的尖点 (14.6)–(14.8),液氦是近似对数发散的尖锐 λ 峰——相互作用改变了相变附近的临界行为(第19章);
  • 中子散射测得,即使在 T→0T\to0 时,液氦中处于零动量态的原子也只占约 7%~10%,而不是 100%;
  • 最重要的是,理想玻色气体并不是超流体。

朗道判据。为什么理想的 BEC 不是超流体?设一个质量为 MM 的物体以速度 v\mathbf v 在静止的流体中运动。要产生摩擦,物体必须在流体中激发出元激发(动量 p\mathbf p、能量 ε(p)\varepsilon(\mathbf p)),自身速度变为 v′\mathbf v'。由能量与动量守恒:

12Mv2=12Mv′2+ε(p),Mv=Mv′+p\frac12Mv^2 = \frac12Mv'^2 + \varepsilon(\mathbf p),\qquad M\mathbf v = M\mathbf v' + \mathbf p

把 v′=v−p/M\mathbf v' = \mathbf v - \mathbf p/M 代入第一式,得 ε(p)=v⋅p−p2/2M≤vp\varepsilon(\mathbf p) = \mathbf v\cdot\mathbf p - p^2/2M\le vp(MM 很大时最后一项可以忽略)。所以只有当 v≥ε(p)/pv\ge\varepsilon(p)/p 对某个 pp 成立时,激发才可能发生。于是存在一个临界速度

vc=min⁡pε(p)p(14.11)v_c = \min_p\frac{\varepsilon(p)}{p} \tag{14.11}

低于它的流动不会耗散能量(朗道,1941):

  • 理想玻色气体的元激发就是单粒子激发 ε=p2/2m\varepsilon = p^2/2m,ε/p=p/2m\varepsilon/p = p/2m 可以任意小,所以 vc=0v_c = 0:没有超流。
  • 液氦中低能的元激发是声子 ε=cp\varepsilon = cp(c≈238c\approx238 m/s),ε/p\varepsilon/p 有正的下限,vc>0v_c>0。朗道由热容数据推断(后来被中子散射证实),液氦的激发谱在声子之外还有一个称为"旋子"的极小值,由它给出 vc≈60v_c\approx60 m/s;实验观测到的临界速度通常更小,因为产生涡旋提供了另一条耗散途径。

把理想气体的 p2/2mp^2/2m 变成声子的线性色散,需要粒子之间的相互作用(第四部分)。可以这样概括:凝聚来自玻色统计,超流还需要相互作用。

§14.5稀薄原子气体中的凝聚

1995 年,人们用激光冷却与蒸发冷却,把磁阱中约 10410^4~10710^7 个碱金属原子(87^{87}Rb、23^{23}Na 等)冷却到 10−710^{-7} K 量级,首次在稀薄气体中实现了玻色–爱因斯坦凝聚(第28章)。这类气体足够稀薄,相互作用较弱,理想气体模型是很好的零级近似。不同之处在于原子被约束在势阱中,而不是装在盒子里。

谐振势阱中的态密度。设原子处在各向同性的谐振势 12mω2r2\frac12m\omega^2r^2 中,单粒子能级为 ℏω(nx+ny+nz)\hbar\omega(n_x + n_y + n_z)(ni=0,1,2,…n_i = 0,1,2,\dots,略去零点能)。能量不超过 ε\varepsilon 的态数约等于由 nx+ny+nz≤ε/ℏωn_x + n_y + n_z\le\varepsilon/\hbar\omega(ni≥0n_i\ge0)围成的四面体的体积 16(ε/ℏω)3\frac16(\varepsilon/\hbar\omega)^3(高能时格点数近似等于体积),求导得

g(ε)=ε22(ℏω)3(14.12)g(\varepsilon) = \frac{\varepsilon^2}{2(\hbar\omega)^3} \tag{14.12}
四面体的体积

由 x,y,z≥0x,y,z\ge0、x+y+z≤ax + y + z\le a 围成的区域的体积为 ∫0adx∫0a−x(a−x−y) dy=∫0a(a−x)22dx=a36\int_0^adx\int_0^{a-x}(a - x - y)\,dy = \int_0^a\frac{(a-x)^2}{2}dx = \frac{a^3}{6}。(详见 §A6.1,那里给出了一般维数的单纯形的体积。)

凝聚温度。与 §14.1 同样的论证:在 z=1z = 1 时,激发态最多能容纳

∫0∞g(ε) dεeβε−1=(kBT)32(ℏω)3∫0∞x2 dxex−1=ζ(3)(kBTℏω)3\int_0^\infty\frac{g(\varepsilon)\,d\varepsilon}{e^{\beta\varepsilon} - 1} = \frac{(k_{\mathrm B}T)^3}{2(\hbar\omega)^3}\int_0^\infty\frac{x^2\,dx}{e^x - 1} = \zeta(3)\left(\frac{k_{\mathrm B}T}{\hbar\omega}\right)^3

个粒子。这里用了 ∫0∞xs−1dx/(ex−1)=Γ(s)ζ(s)\int_0^\infty x^{s-1}dx/(e^x - 1) = \Gamma(s)\zeta(s),它就是 (12.6)、(12.7) 在 z=1z = 1 时的结果,以及 Γ(3)=2\Gamma(3) = 2、ζ(3)≈1.202\zeta(3)\approx1.202。令它等于 NN,得

kBTc=ℏω(Nζ(3))1/3,N0N=1−(TTc)3(T<Tc)(14.13)k_{\mathrm B}T_c = \hbar\omega\left(\frac{N}{\zeta(3)}\right)^{1/3},\qquad \frac{N_0}{N} = 1 - \left(\frac{T}{T_c}\right)^3\quad(T<T_c) \tag{14.13}

例如 N=106N = 10^6、ω/2π=100\omega/2\pi = 100 Hz:ℏω/kB=4.8\hbar\omega/k_{\mathrm B} = 4.8 nK,Tc≈0.45 μKT_c\approx0.45\ \mu\mathrm K。凝聚体比例随温度的变化由均匀气体的 T3/2T^{3/2} 变成了 T3T^3,因为态密度从 ε1/2\varepsilon^{1/2} 变成了 ε2\varepsilon^2。

凝聚体是看得见的。凝聚体处于势阱的单粒子基态,由 §P2.3,它的尺寸为 ⟨x2⟩=ℏ/2mω\sqrt{\langle x^2\rangle} = \sqrt{\hbar/2m\omega},与温度无关;未凝聚的热原子服从均分定理 12mω2⟨x2⟩=12kBT\frac12m\omega^2\langle x^2\rangle = \frac12k_{\mathrm B}T,尺寸为 kBT/mω2\sqrt{k_{\mathrm B}T/m\omega^2}。两者之比为

热原子云的尺寸凝聚体的尺寸=2kBTℏω(14.14)\frac{\text{热原子云的尺寸}}{\text{凝聚体的尺寸}} = \sqrt{\frac{2k_{\mathrm B}T}{\hbar\omega}} \tag{14.14}

在 T≈TcT\approx T_c 时约为 2(N/ζ(3))1/3\sqrt{2(N/\zeta(3))^{1/3}},对 N=106N = 10^6 约为 14。动量分布的宽度之比也相同。实验中关掉势阱、让原子云自由飞行一段时间后拍照:热原子形成宽而平的高斯分布,凝聚体则在中央形成一个窄而高的尖峰——这就是 1995 年那些著名的 BEC 照片。

§14.6本章小结

  1. 理想玻色气体中,当 nλ3n\lambda^3 达到 gsζ(3/2)≈2.612gsg_s\zeta(3/2)\approx2.612g_s 时化学势达到零;温度更低时,激发态装不下的粒子只能进入单粒子基态,形成玻色–爱因斯坦凝聚。Tc∝n2/3/mT_c\propto n^{2/3}/m。
  2. T<TcT<T_c 时 μ=0\mu = 0,压强 ∝T5/2\propto T^{5/2} 与密度无关;凝聚体不带熵,也不贡献压强与能量。CV∝T3/2C_V\propto T^{3/2},在 TcT_c 处连续但有尖点。
  3. 凝聚是动量空间中的凝聚;在 pp–TT 平面上它是一级相变,每个粒子的潜热约为 1.28kBT1.28k_{\mathrm B}T。
  4. 液氦-4 的 λ 相变与 BEC 密切相关,但超流还需要相互作用(朗道判据)。稀薄原子气体中的凝聚相当接近理想气体的预言,在谐振势阱中 N0/N=1−(T/Tc)3N_0/N = 1 - (T/T_c)^3。

自测题

  1. 证明二维理想玻色气体在任何有限温度下都不发生 BEC。[提示:二维自由粒子的态密度为常数,nλ2/gs=b1(z)=−ln⁡(1−z)n\lambda^2/g_s = b_1(z) = -\ln(1-z),它在 z→1z\to1 时发散,所以对任何 nn、TT 都有 z<1z<1 的解]
  2. 用 (14.2) 计算液氦-4 的 TcT_c。[答:约 3.1 K]
  3. 验证 (14.10) 中的潜热等于 TT 乘以每个激发态粒子的熵,并说明为什么凝聚体中粒子的熵为零。
  4. 对 (14.13),若原子数增加到原来的 8 倍,TcT_c 变为原来的几倍?若势阱频率加倍呢?[答:2 倍;2 倍]