统计物理 · 第三部分 量子统计 · 第 16 章

量子统计解决了哪些问题

What Quantum Statistics Explained
已完成讲义更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0
本章目标

与第9章一样,从"问题"的角度回顾第三部分:量子统计回答了哪些经典统计无法回答的问题,又把哪些问题留给了后面的理论。各节注明了讲义中对应的推导位置;按时间顺序的发展史见第28章。

§16.1黑体辐射与紫外灾难

问题:基尔霍夫(1859)证明,空腔中平衡辐射的谱只依赖于频率与温度,是一个与器壁材料无关的普适函数。它是什么?经典理论给每个电磁模式分配 kBTk_{\mathrm B}T,得到 u∝ω2Tu\propto\omega^2T((P3.12)),在高频处发散;而 1899–1900 年柏林的精密测量表明,实际的谱在短波段符合维恩公式,只在长波段才接近 ω2T\omega^2T。

回答:辐射是 μ=0\mu = 0 的光子气体,每个模式的平均能量是 ℏω/(eβℏω−1)\hbar\omega/(e^{\beta\hbar\omega} - 1) 而不是 kBTk_{\mathrm B}T(§15.1)。高频模式被冻结,总能量有限,并给出斯特藩–玻尔兹曼定律与维恩位移定律(§15.2)。反过来,由实验测得的斯特藩常数与维恩常数,可以定出 hh 与 kBk_{\mathrm B}(普朗克 1900–1901 年正是这样做的,§28.3)。宇宙微波背景辐射是迄今测得的最精确的普朗克谱(§15.3)。

§16.2固体比热之谜的最终解决

问题(§9.3、§9.10):杜隆–珀蒂定律在室温下对大多数固体成立,但金刚石等是例外,而且所有固体的比热在低温下都趋于零。爱因斯坦模型(§6.5)解释了"趋于零",但给出的是指数衰减,而低温实验表明比热按 T3T^3 趋于零。

回答:德拜模型(§15.5)。低温下只有长波声学声子被激发,它们的态密度严格地正比于 ω2\omega^2,于是 CV∝T3C_V\propto T^3((15.16)、(15.17));德拜温度还可以由声速独立算出,并与热容数据一致。金属在几 K 以下还要加上电子的线性项 γT\gamma T(§13.3)。

§16.3金属中的电子:比热、热导与磁性

问题(§11.1):德鲁德的经典电子气模型留下了一串矛盾:电子热容只有经典值的百分之一二;维德曼–弗兰兹比值的数值差一倍;传导电子的顺磁性很弱且几乎不随温度变化,与居里定律不符;电子的平均自由程长得不可思议。

回答:传导电子是高度简并的费米气体(第13章)。只有费米面附近约 kBTk_{\mathrm B}T 范围内的电子能参与热激发与自旋翻转,于是 CV∝T/TFC_V\propto T/T_{\mathrm F}((13.7))、泡利顺磁性与温度无关((13.9));输运中起作用的是费米速度,维德曼–弗兰兹比值成为 π23(kB/e)2\frac{\pi^2}{3}(k_{\mathrm B}/e)^2((13.8))。长的平均自由程则来自布洛赫定理:完美晶格不散射电子(§11.3)。

§16.4为什么有的固体导电、有的不导电

问题:铜与金刚石都含有大量电子,为什么一个是导体、一个是绝缘体?半导体的电导率为什么随温度升高而急剧增大,与金属正好相反?为什么某些材料的载流子带正电?

回答:能带论(§11.3–§11.6)。满带不导电;部分填充的能带导电。能隙较小的半导体中,载流子数按 e−Eg/2kBTe^{-E_{\mathrm g}/2k_{\mathrm B}T} 随温度激增((13.13)),并可以通过掺杂改变许多个数量级((13.14));近满带中的空态表现为带正电的空穴。这些结论是晶体管与整个半导体工业的物理基础。

§16.5氢分子的比热与质子的自旋

问题:§7.3 的转动配分函数对大多数双原子气体都很成功,但对 H2\mathrm H_2 却完全失败:欧肯(Eucken,1912)测得的低温比热与 (7.5) 的计算不符,多年的各种尝试都没有成功。

回答:丹尼森(Dennison,1927)指出,质子是自旋 1/2 的费米子(§P2.6):核自旋三重态(正氢)只能配奇数 JJ,核自旋单态(仲氢)只能配偶数 JJ。平衡时两者的数目之比为

N正N仲=3∑J 奇(2J+1)e−J(J+1)Θr/T∑J 偶(2J+1)e−J(J+1)Θr/T(16.1)\frac{N_{\text{正}}}{N_{\text{仲}}} = \frac{3\sum_{J\text{ 奇}}(2J+1)e^{-J(J+1)\Theta_{\mathrm r}/T}}{\sum_{J\text{ 偶}}(2J+1)e^{-J(J+1)\Theta_{\mathrm r}/T}} \tag{16.1}

高温时趋于 3;Θr≈85\Theta_{\mathrm r}\approx85 K,77 K 时约为 1,20 K 时只有约 0.2%。关键在于:正、仲氢之间的转化需要翻转核自旋,没有催化剂时极其缓慢。所以低温下实际测量的不是平衡态,而是保持高温比例 3:1 的两种"不同气体"的混合物,其热容是二者热容的加权和。按这一图像计算,理论与实验完全符合;而 3:1 的比例恰好要求质子的自旋为 1/2——一种气体的比热定出了质子的自旋。用活性炭等催化剂加速转化后得到的平衡氢,其热容也与 (16.1) 给出的平衡计算一致。这还有一个实际后果:液氢中残存的正氢会缓慢转化为仲氢并放热,转化热(约 1.06 kJ/mol)大于液氢的汽化热(约 0.9 kJ/mol),所以储存液氢之前必须先在催化剂上把它转化为仲氢。

§16.6恒星的归宿:白矮星与中子星

问题:天狼星的伴星(天狼星 B)的质量与太阳相当,光谱却表明它很热、因而必定极小,平均密度高达 10510^5~106 g/cm310^6\ \mathrm{g/cm^3}。这样的物质靠什么支撑?爱丁顿还提出了一个难题:这种星体冷却以后,热压强消失,它将如何存在?

回答:电子的简并压(§13.7,福勒,1926)。它与温度无关,所以冷却的白矮星照样稳定;半径随质量增大而减小,R∝M−1/3R\propto M^{-1/3}((13.15))。相对论效应使简并压在高密度下变"软",导致质量上限——钱德拉塞卡极限,约 1.4 个太阳质量((13.17))。更重的星体核坍缩成由中子简并压(加上核力)支撑的中子星。观测中没有发现超过这一极限的白矮星;接近这一质量的白矮星爆炸形成的 Ia 型超新星亮度相近,成为测量宇宙距离的"标准烛光"。

§16.7液氦与玻色–爱因斯坦凝聚

问题:液氦-4 在 2.17 K 以下变成能无阻力流动的超流体,并在相变点处有 λ 形的热容峰。这种"宏观的量子现象"是什么?

回答:伦敦(1938)把它与玻色–爱因斯坦凝聚联系起来(§14.4):由液氦密度算出的理想气体凝聚温度约 3.1 K,与 2.17 K 相近,而费米子 3^3He 没有同样的相变。朗道(1941)进一步表明,超流还需要相互作用把元激发变成声子(朗道判据 (14.11))。1995 年在稀薄原子气体中实现的凝聚,则相当接近理想气体的预言(§14.5)。

§16.8第三定律的统计基础

问题:能斯特热定理(1906)与第三定律要求 T→0T\to0 时熵趋于常数、热容趋于零(§1.10)。经典统计做不到这一点:萨克尔–特多德熵 (3.16) 在 T→0T\to0 时趋于 −∞-\infty,理想气体的 CV=32NkBC_V = \frac32Nk_{\mathrm B} 与温度无关。在第一部分结语中,这被看作经典统计在低温下失效的信号。

回答:温度降低时 nλ3n\lambda^3 增大,任何气体最终都会进入量子简并区,而量子气体的熵都趋于零。对费米气体,由 (13.7),

S=∫0TCV(T′)T′dT′=π22NkBTTF(T≪TF)(16.2)S = \int_0^T\frac{C_V(T')}{T'}dT' = \frac{\pi^2}{2}Nk_{\mathrm B}\frac{T}{T_{\mathrm F}}\qquad(T\ll T_{\mathrm F}) \tag{16.2}

对玻色气体,(14.7) 给出 S∝T3/2S\propto T^{3/2};对光子与声子,(15.7)、(15.16) 给出 S∝T3S\propto T^3。它们的热容也都趋于零。所以第三定律是一个量子现象:它依赖于能级的分立与全同粒子的量子计数。(费米在 1926 年提出他的统计时,正是想让理想气体满足能斯特定理,见 §28.6。)

§16.9全同粒子与吉布斯佯谬:最终解决

问题(§3.7、§9.9):为什么要除以 N!N!?在经典力学中,粒子至少在原则上可以被跟踪和区分,"除以 N!N!"只能看作保证熵为广延量的一条规定。

回答:全同粒子的量子态由各单粒子态上的占据数完全确定,交换两个粒子不产生新的状态(§P2.6、§12.1)。在稀薄极限下,由占据数计数得到的巨配分函数自动约化为 ZN=qN/N!Z_N = q^N/N! 的经典结果(§8.6、§12.1);在简并区,"除以 N!N!"本身也不再正确,必须使用费米–狄拉克或玻色–爱因斯坦计数。吉布斯佯谬中"同种"与"不同种"的截然区别也因此有了根据:两个粒子要么全同,要么不全同,没有连续的过渡。

§16.10留给后续部分的问题

第三部分的理论几乎都是无相互作用粒子的理论。它解释了大量现象,但也遇到了自身无法解决的问题:

  • 超导(昂内斯,1911):某些金属在低温下电阻完全消失,并排出磁场(迈斯纳效应,1933)。理想费米气体无法解释;需要电子之间的有效吸引与配对(BCS 理论,1957)——第四部分。
  • 铁磁性:自发磁化需要交换作用(§P2.7),理想电子气只给出弱的泡利顺磁性——第四部分(第18、19章)。
  • 超流:凝聚之外还需要相互作用(§14.4)——第四部分。
  • 实际气体与液体:量子与经典的相互作用系统——第四部分(第17章)。
  • 输运:金属电阻随温度的变化来自电子被声子散射;热导率与热电效应——第五部分(玻尔兹曼输运方程)。
  • 激光:粒子数反转是非平衡态(§15.4),激光的工作需要非平衡的速率理论——第五部分。