§P3.1 偶极矩、极化与磁化§P3.2 物质磁性的唯象图像§P3.3 分子间作用力§P3.4 电磁波与谐振腔中的模式§P3.5 光的散射与密度涨落§P3.6 电路、电阻与热噪声自测题 本章目标
准 备后面各部分要用的电磁学结论:偶极矩与极化、磁化与居里定律、物质磁性的分类(以及"经典统计中没有磁性"这一定理)、分子间作用力、电磁波与腔模、光散射与密度涨落、电路中的热噪声。
物理输入
库仑定律与静电势;均匀电场中 φ ( r ) = − E ⋅ r + \varphi(\mathbf r) = -\mathbf E\cdot\mathbf r + φ ( r ) = − E ⋅ r + 常数;磁矩 μ \boldsymbol\mu μ 在磁场中的能量为 − μ ⋅ B -\boldsymbol\mu\cdot\mathbf B − μ ⋅ B ;两个相距 r \mathbf r r 的电偶极子之间的相互作用能为 U = 1 4 π ε 0 r 3 [ d 1 ⋅ d 2 − 3 ( d 1 ⋅ r ^ ) ( d 2 ⋅ r ^ ) ] U = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0r^3}\left[\mathbf d_1\cdot\mathbf d_2 - 3(\mathbf d_1\cdot\hat{\mathbf r})(\mathbf d_2\cdot\hat{\mathbf r})\right] U = 4 π ε 0 r 3 1 [ d 1 ⋅ d 2 − 3 ( d 1 ⋅ r ^ ) ( d 2 ⋅ r ^ ) ] (磁偶极子把 1 / 4 π ε 0 1/4\pi\varepsilon_0 1/4 π ε 0 换成 μ 0 / 4 π \mu_0/4\pi μ 0 /4 π )。
§P3.1 偶极矩、极化与磁化
电偶极矩 。一组电荷的偶极矩 d = ∑ i q i r i \mathbf d = \sum_iq_i\mathbf r_i d = ∑ i q i r i 。若体系总电荷为零,把原点平移 a \mathbf a a ,d \mathbf d d 变为 ∑ i q i ( r i − a ) = d − a ∑ i q i = d \sum_iq_i(\mathbf r_i - \mathbf a) = \mathbf d - \mathbf a\sum_iq_i = \mathbf d ∑ i q i ( r i − a ) = d − a ∑ i q i = d :偶极矩与原点的选取无关。在均匀电场中,体系的静电能为
U = ∑ i q i φ ( r i ) = − E ⋅ ∑ i q i r i = − d ⋅ E (P3.1) U = \sum_iq_i\varphi(\mathbf r_i) = -\mathbf E\cdot\sum_iq_i\mathbf r_i = -\mathbf d\cdot\mathbf E \tag{P3.1} U = i ∑ q i φ ( r i ) = − E ⋅ i ∑ q i r i = − d ⋅ E ( P3.1 )
感生偶极矩 。把原子中的电子云看成电荷 q q q 、质量 m m m 、固有频率 ω 0 \omega_0 ω 0 的谐振子(§P1.4 )。静电场中的平衡位移为 x = q E / ( m ω 0 2 ) x = qE/(m\omega_0^2) x = qE / ( m ω 0 2 ) ,所以
d = α E , α = q 2 m ω 0 2 (P3.2) \mathbf d = \alpha\mathbf E,\qquad \alpha = \frac{q^2}{m\omega_0^2} \tag{P3.2} d = α E , α = m ω 0 2 q 2 ( P3.2 )
α \alpha α 称为极化率;在频率为 ω \omega ω 的电场中,由 (P1.12) ,α ( ω ) = q 2 χ ( ω ) \alpha(\omega) = q^2\chi(\omega) α ( ω ) = q 2 χ ( ω ) 。
高温下的线性响应 。设 H ^ = H ^ 0 − A F \hat H = \hat H_0 - AF H ^ = H ^ 0 − A F ,F F F 是外加的"力"(电场、磁场等),A A A 是与之耦合的量(偶极矩分量、磁矩分量等),且无外场时 ⟨ A ⟩ 0 = 0 \langle A\rangle_0 = 0 ⟨ A ⟩ 0 = 0 。若 A F ≪ k B T AF\ll k_{\mathrm B}T A F ≪ k B T ,把玻尔兹曼因子中的 e β A F e^{\beta AF} e β A F 展开到一阶:
⟨ A ⟩ = ⟨ A e β A F ⟩ 0 ⟨ e β A F ⟩ 0 ≈ ⟨ A ⟩ 0 + β F ⟨ A 2 ⟩ 0 1 + β F ⟨ A ⟩ 0 = ⟨ A 2 ⟩ 0 k B T F (P3.3) \langle A\rangle = \frac{\langle A\,e^{\beta AF}\rangle_0}{\langle e^{\beta AF}\rangle_0}\approx\frac{\langle A\rangle_0 + \beta F\langle A^2\rangle_0}{1 + \beta F\langle A\rangle_0} = \frac{\langle A^2\rangle_0}{k_{\mathrm B}T}\,F \tag{P3.3} ⟨ A ⟩ = ⟨ e β A F ⟩ 0 ⟨ A e β A F ⟩ 0 ≈ 1 + βF ⟨ A ⟩ 0 ⟨ A ⟩ 0 + βF ⟨ A 2 ⟩ 0 = k B T ⟨ A 2 ⟩ 0 F ( P3.3 )
(⟨ ⋅ ⟩ 0 \langle\cdot\rangle_0 ⟨ ⋅ ⟩ 0 表示无外场时的平均。)响应系数等于无外场时涨落的平方平均除以 k B T k_{\mathrm B}T k B T ——这是第24章 涨落–耗散定理的最简单形式。(对量子系统,当 A A A 与 H ^ 0 \hat H_0 H ^ 0 对易时上式严格成立,例如下面的磁矩问题。)
取向极化 。具有固定偶极矩 d 0 d_0 d 0 的极性分子在热运动下取向随机。由 (P3.3) ,并用各向同性平均 ⟨ d z 2 ⟩ 0 = d 0 2 ⟨ cos 2 θ ⟩ = d 0 2 / 3 \langle d_z^2\rangle_0 = d_0^2\langle\cos^2\theta\rangle = d_0^2/3 ⟨ d z 2 ⟩ 0 = d 0 2 ⟨ cos 2 θ ⟩ = d 0 2 /3 ,分子的总极化率为
α 总 = α + d 0 2 3 k B T (P3.4) \alpha_{\text{总}} = \alpha + \frac{d_0^2}{3k_{\mathrm B}T} \tag{P3.4} α 总 = α + 3 k B T d 0 2 ( P3.4 )
(德拜公式。)测量介电常数随温度的变化,就可以把两部分分开,求出分子的偶极矩。
磁化与居里定律 。磁化强度 M M M 是单位体积的平均磁矩,M = n ⟨ μ z ⟩ M = n\langle\mu_z\rangle M = n ⟨ μ z ⟩ ;磁场强度 H H H 由 B = μ 0 ( H + M ) B = \mu_0(H + M) B = μ 0 ( H + M ) 定义,磁化率 χ m = M / H \chi_m = M/H χ m = M / H 。对稀薄的顺磁体 M ≪ H M\ll H M ≪ H ,B ≈ μ 0 H B\approx\mu_0H B ≈ μ 0 H 。总角动量为 J J J 的磁性离子,μ z = − g J μ B m J \mu_z = -g_J\mu_{\mathrm B}m_J μ z = − g J μ B m J (§P2.5 ),它与 H ^ 0 \hat H_0 H ^ 0 对易,由 (P3.3) ,⟨ μ z ⟩ = ⟨ μ z 2 ⟩ 0 B / k B T \langle\mu_z\rangle = \langle\mu_z^2\rangle_0B/k_{\mathrm B}T ⟨ μ z ⟩ = ⟨ μ z 2 ⟩ 0 B / k B T 。无外场时 2 J + 1 2J+1 2 J + 1 个 m J m_J m J 等概率,由 ∑ m = − J J m 2 = J ( J + 1 ) ( 2 J + 1 ) / 3 \sum_{m=-J}^Jm^2 = J(J+1)(2J+1)/3 ∑ m = − J J m 2 = J ( J + 1 ) ( 2 J + 1 ) /3 (可用归纳法证明),⟨ m J 2 ⟩ 0 = J ( J + 1 ) / 3 \langle m_J^2\rangle_0 = J(J+1)/3 ⟨ m J 2 ⟩ 0 = J ( J + 1 ) /3 。于是
χ m = μ 0 n μ e f f 2 3 k B T , μ e f f 2 = g J 2 μ B 2 J ( J + 1 ) (P3.5) \chi_m = \frac{\mu_0n\,\mu_{\mathrm{eff}}^2}{3k_{\mathrm B}T},\qquad \mu_{\mathrm{eff}}^2 = g_J^2\mu_{\mathrm B}^2J(J+1) \tag{P3.5} χ m = 3 k B T μ 0 n μ eff 2 , μ eff 2 = g J 2 μ B 2 J ( J + 1 ) ( P3.5 )
这就是居里定律。对 J = 1 / 2 J = 1/2 J = 1/2 、g J = 2 g_J = 2 g J = 2 ,μ e f f 2 / 3 = μ B 2 \mu_{\mathrm{eff}}^2/3 = \mu_{\mathrm B}^2 μ eff 2 /3 = μ B 2 ,与 (6.7) (μ m = μ B \mu_{\mathrm m} = \mu_{\mathrm B} μ m = μ B )一致。测得的 μ e f f \mu_{\mathrm{eff}} μ eff 可以用来确定离子的 J J J 。
§P3.2 物质磁性的唯象图像
抗磁性 :χ m < 0 \chi_m<0 χ m < 0 ,量级约 − 1 0 − 5 -10^{-5} − 1 0 − 5 ,几乎与温度无关;所有物质都有(外场使电子轨道运动产生反向的感应磁矩)。
顺磁性 :χ m > 0 \chi_m>0 χ m > 0 ,服从居里定律 (P3.5) ;来自原子或离子的固有磁矩。
铁磁性 :低于居里温度 T c T_{\mathrm c} T c 时出现自发磁化;高于 T c T_{\mathrm c} T c 时实验上满足居里–外斯定律 χ m = C / ( T − T c ) \chi_m = C/(T - T_{\mathrm c}) χ m = C / ( T − T c ) (第18章 将用平均场理论推导)。
反铁磁性 :低于奈尔温度 T N T_{\mathrm N} T N 时相邻磁矩反向排列;高温下 χ m = C / ( T + θ ) \chi_m = C/(T + \theta) χ m = C / ( T + θ ) 。
玻尔–范莱文定理:经典统计中没有磁性 。
物理输入
磁场中带电粒子的哈密顿量为 H = ∑ i ( p i − q i A ( r i ) ) 2 2 m i + V ( r 1 , … , r N ) \mathcal H = \sum_i\frac{(\mathbf p_i - q_i\mathbf A(\mathbf r_i))^2}{2m_i} + V(\mathbf r_1,\dots,\mathbf r_N) H = ∑ i 2 m i ( p i − q i A ( r i ) ) 2 + V ( r 1 , … , r N ) ,其中 ∇ × A = B \nabla\times\mathbf A = \mathbf B ∇ × A = B 。
经典配分函数 Z = 1 N ! h 3 N ∫ e − β H d 3 N r d 3 N p Z = \frac{1}{N!h^{3N}}\int e^{-\beta\mathcal H}d^{3N}r\,d^{3N}p Z = N ! h 3 N 1 ∫ e − β H d 3 N r d 3 N p 。对固定的坐标,把每个动量积分变量平移为 p i ′ = p i − q i A ( r i ) \mathbf p_i' = \mathbf p_i - q_i\mathbf A(\mathbf r_i) p i ′ = p i − q i A ( r i ) (平移的雅可比行列式为 1,积分限仍为全空间),A \mathbf A A 就从被积函数中完全消失。所以 Z Z Z 与 B B B 无关,
M ∝ − ∂ F ∂ B = k B T ∂ ln Z ∂ B = 0 (P3.6) M\propto-\frac{\partial F}{\partial B} = k_{\mathrm B}T\frac{\partial\ln Z}{\partial B} = 0 \tag{P3.6} M ∝ − ∂ B ∂ F = k B T ∂ B ∂ ln Z = 0 ( P3.6 )
经典统计力学预言任何物质在热平衡时都没有磁化。磁性本质上是量子效应:自旋与量子化的轨道角动量不能用经典动量平移消去。
为什么铁磁性不是磁偶极相互作用造成的 。两个相距 a ≈ 0.25 a\approx0.25 a ≈ 0.25 nm、磁矩为 μ B \mu_{\mathrm B} μ B 的偶极子之间的相互作用能约为 μ 0 4 π μ B 2 a 3 ≈ 5 × 1 0 − 25 \frac{\mu_0}{4\pi}\frac{\mu_{\mathrm B}^2}{a^3}\approx5\times10^{-25} 4 π μ 0 a 3 μ B 2 ≈ 5 × 1 0 − 25 J,相当于 k B × 0.04 k_{\mathrm B}\times0.04 k B × 0.04 K;而铁的居里温度约为 1043 K。使磁矩平行排列的是强得多的交换作用(§P2.7 ),它来自静电相互作用与泡利原理。
§P3.3 分子间作用力
取向力(基索姆力) 。两个固有偶极矩为 d 1 d_1 d 1 、d 2 d_2 d 2 的极性分子,相距 r r r (取连线为 z z z 轴)。由开头的偶极相互作用公式,
U = d 1 d 2 4 π ε 0 r 3 ( sin θ 1 sin θ 2 cos ϕ − 2 cos θ 1 cos θ 2 ) , ϕ = φ 1 − φ 2 U = \frac{d_1d_2}{4\pi\varepsilon_0r^3}\left(\sin\theta_1\sin\theta_2\cos\phi - 2\cos\theta_1\cos\theta_2\right),\qquad \phi = \varphi_1 - \varphi_2 U = 4 π ε 0 r 3 d 1 d 2 ( sin θ 1 sin θ 2 cos ϕ − 2 cos θ 1 cos θ 2 ) , ϕ = φ 1 − φ 2
对取向作热平均。与 (P3.3) 同理,⟨ U ⟩ = ⟨ U e − β U ⟩ 0 / ⟨ e − β U ⟩ 0 ≈ ⟨ U ⟩ 0 − β ( ⟨ U 2 ⟩ 0 − ⟨ U ⟩ 0 2 ) \langle U\rangle = \langle Ue^{-\beta U}\rangle_0/\langle e^{-\beta U}\rangle_0\approx\langle U\rangle_0 - \beta\left(\langle U^2\rangle_0 - \langle U\rangle_0^2\right) ⟨ U ⟩ = ⟨ U e − β U ⟩ 0 / ⟨ e − β U ⟩ 0 ≈ ⟨ U ⟩ 0 − β ( ⟨ U 2 ⟩ 0 − ⟨ U ⟩ 0 2 ) ,而随机取向下 ⟨ U ⟩ 0 = 0 \langle U\rangle_0 = 0 ⟨ U ⟩ 0 = 0 。计算 ⟨ U 2 ⟩ 0 \langle U^2\rangle_0 ⟨ U 2 ⟩ 0 :交叉项含 cos ϕ \cos\phi cos ϕ 的一次方,平均为零;再用 ⟨ sin 2 θ ⟩ = 2 / 3 \langle\sin^2\theta\rangle = 2/3 ⟨ sin 2 θ ⟩ = 2/3 、⟨ cos 2 θ ⟩ = 1 / 3 \langle\cos^2\theta\rangle = 1/3 ⟨ cos 2 θ ⟩ = 1/3 、⟨ cos 2 ϕ ⟩ = 1 / 2 \langle\cos^2\phi\rangle = 1/2 ⟨ cos 2 ϕ ⟩ = 1/2 ,括号的平方平均为 2 3 ⋅ 2 3 ⋅ 1 2 + 4 ⋅ 1 3 ⋅ 1 3 = 2 3 \frac23\cdot\frac23\cdot\frac12 + 4\cdot\frac13\cdot\frac13 = \frac23 3 2 ⋅ 3 2 ⋅ 2 1 + 4 ⋅ 3 1 ⋅ 3 1 = 3 2 。于是
⟨ U ⟩ ≈ − 2 3 k B T ( d 1 d 2 4 π ε 0 ) 2 1 r 6 (P3.7) \langle U\rangle\approx-\frac{2}{3k_{\mathrm B}T}\left(\frac{d_1d_2}{4\pi\varepsilon_0}\right)^2\frac{1}{r^6} \tag{P3.7} ⟨ U ⟩ ≈ − 3 k B T 2 ( 4 π ε 0 d 1 d 2 ) 2 r 6 1 ( P3.7 )
热平均使得吸引的取向更常出现,净效果是吸引,且随温度升高而减弱。
色散力(伦敦力) 。非极性分子之间也有吸引:它是一个量子力学的零点能效应。用 (P3.2) 的模型,把两个原子各看成一个三维谐振子(电荷 q q q 、质量 m m m 、频率 ω 0 \omega_0 ω 0 ),电子的位移分别为 u 1 \mathbf u_1 u 1 、u 2 \mathbf u_2 u 2 ,偶极矩 d i = q u i \mathbf d_i = q\mathbf u_i d i = q u i 。由偶极相互作用公式(连线为 z z z 轴),耦合能为 q 2 4 π ε 0 r 3 ( x 1 x 2 + y 1 y 2 − 2 z 1 z 2 ) \frac{q^2}{4\pi\varepsilon_0r^3}(x_1x_2 + y_1y_2 - 2z_1z_2) 4 π ε 0 r 3 q 2 ( x 1 x 2 + y 1 y 2 − 2 z 1 z 2 ) 。三个方向互不耦合。对每个方向,两个振子的耦合能写成 c x 1 x 2 c\,x_1x_2 c x 1 x 2 (x x x 、y y y 方向 c = q 2 / 4 π ε 0 r 3 c = q^2/4\pi\varepsilon_0r^3 c = q 2 /4 π ε 0 r 3 ,z z z 方向 c = − 2 q 2 / 4 π ε 0 r 3 c = -2q^2/4\pi\varepsilon_0r^3 c = − 2 q 2 /4 π ε 0 r 3 )。由 §P1.3 ,简正坐标 ( x 1 ± x 2 ) / 2 (x_1\pm x_2)/\sqrt2 ( x 1 ± x 2 ) / 2 的频率为 ω ± = ω 0 1 ± ϵ \omega_\pm = \omega_0\sqrt{1\pm\epsilon} ω ± = ω 0 1 ± ϵ ,ϵ = c / ( m ω 0 2 ) \epsilon = c/(m\omega_0^2) ϵ = c / ( m ω 0 2 ) 。两个模的零点能之和,用 1 + ϵ ≈ 1 + ϵ 2 − ϵ 2 8 \sqrt{1+\epsilon}\approx1 + \frac\epsilon2 - \frac{\epsilon^2}{8} 1 + ϵ ≈ 1 + 2 ϵ − 8 ϵ 2 (提示 A3 ):
ℏ 2 ( ω + + ω − ) ≈ ℏ ω 0 ( 1 − ϵ 2 8 ) \frac\hbar2(\omega_+ + \omega_-)\approx\hbar\omega_0\left(1 - \frac{\epsilon^2}{8}\right) 2 ℏ ( ω + + ω − ) ≈ ℏ ω 0 ( 1 − 8 ϵ 2 )
能量降低了 ℏ ω 0 ϵ 2 / 8 \hbar\omega_0\epsilon^2/8 ℏ ω 0 ϵ 2 /8 。对三个方向求和,∑ c 2 = ( 1 + 1 + 4 ) ( q 2 4 π ε 0 r 3 ) 2 \sum c^2 = (1 + 1 + 4)\left(\frac{q^2}{4\pi\varepsilon_0r^3}\right)^2 ∑ c 2 = ( 1 + 1 + 4 ) ( 4 π ε 0 r 3 q 2 ) 2 ,再用 α = q 2 / ( m ω 0 2 ) \alpha = q^2/(m\omega_0^2) α = q 2 / ( m ω 0 2 ) :
Δ E = − 3 4 ℏ ω 0 α 2 ( 4 π ε 0 ) 2 r 6 (P3.8) \Delta E = -\frac34\,\frac{\hbar\omega_0\,\alpha^2}{(4\pi\varepsilon_0)^2r^6} \tag{P3.8} Δ E = − 4 3 ( 4 π ε 0 ) 2 r 6 ℏ ω 0 α 2 ( P3.8 )
两种吸引都正比于 r − 6 r^{-6} r − 6 。
伦纳德–琼斯势 。距离很近时,电子云的交叠受泡利原理阻碍,产生强烈的排斥;实用上用 r − 12 r^{-12} r − 12 描述:
V ( r ) = 4 ε [ ( σ r ) 12 − ( σ r ) 6 ] (P3.9) V(r) = 4\varepsilon\left[\left(\frac\sigma r\right)^{12} - \left(\frac\sigma r\right)^6\right] \tag{P3.9} V ( r ) = 4 ε [ ( r σ ) 12 − ( r σ ) 6 ] ( P3.9 )
由 d V / d r = 0 dV/dr = 0 d V / d r = 0 得 ( σ / r ) 6 = 1 / 2 (\sigma/r)^6 = 1/2 ( σ / r ) 6 = 1/2 ,即极小值位于 r min = 2 1 / 6 σ r_{\min} = 2^{1/6}\sigma r m i n = 2 1/6 σ ,深度为 V ( r min ) = 4 ε ( 1 4 − 1 2 ) = − ε V(r_{\min}) = 4\varepsilon(\frac14 - \frac12) = -\varepsilon V ( r m i n ) = 4 ε ( 4 1 − 2 1 ) = − ε 。对氩,ε / k B ≈ 120 \varepsilon/k_{\mathrm B}\approx120 ε / k B ≈ 120 K,σ ≈ 0.34 \sigma\approx0.34 σ ≈ 0.34 nm。第17章 计算实际气体的位力系数、第32章 的分子模拟都将用到它。
§P3.4 电磁波与谐振腔中的模式
物理输入
真空中(无电荷、无电流)的麦克斯韦方程组:∇ ⋅ E = 0 \nabla\cdot\mathbf E = 0 ∇ ⋅ E = 0 ,∇ ⋅ B = 0 \nabla\cdot\mathbf B = 0 ∇ ⋅ B = 0 ,∇ × E = − ∂ B / ∂ t \nabla\times\mathbf E = -\partial\mathbf B/\partial t ∇ × E = − ∂ B / ∂ t ,∇ × B = μ 0 ε 0 ∂ E / ∂ t \nabla\times\mathbf B = \mu_0\varepsilon_0\,\partial\mathbf E/\partial t ∇ × B = μ 0 ε 0 ∂ E / ∂ t 。
矢量分析
梯度 ∇ f \nabla f ∇ f 、散度 ∇ ⋅ v \nabla\cdot\mathbf v ∇ ⋅ v 、旋度 ∇ × v \nabla\times\mathbf v ∇ × v ;恒等式 ∇ × ( ∇ × v ) = ∇ ( ∇ ⋅ v ) − ∇ 2 v \nabla\times(\nabla\times\mathbf v) = \nabla(\nabla\cdot\mathbf v) - \nabla^2\mathbf v ∇ × ( ∇ × v ) = ∇ ( ∇ ⋅ v ) − ∇ 2 v 。(详见附录 A11 ,恒等式的验证见 §A11.6 。)
对第三式取旋度,用上述恒等式与 ∇ ⋅ E = 0 \nabla\cdot\mathbf E = 0 ∇ ⋅ E = 0 ,再代入第四式:
∇ 2 E = 1 c 2 ∂ 2 E ∂ t 2 , c = 1 μ 0 ε 0 (P3.10) \nabla^2\mathbf E = \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2\mathbf E}{\partial t^2},\qquad c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}} \tag{P3.10} ∇ 2 E = c 2 1 ∂ t 2 ∂ 2 E , c = μ 0 ε 0 1 ( P3.10 )
这是波动方程。平面波 E = E 0 e i ( k ⋅ r − ω t ) \mathbf E = \mathbf E_0e^{i(\mathbf k\cdot\mathbf r - \omega t)} E = E 0 e i ( k ⋅ r − ω t ) 满足它的条件是 ω = c k \omega = ck ω = c k ;∇ ⋅ E = 0 \nabla\cdot\mathbf E = 0 ∇ ⋅ E = 0 要求 k ⋅ E 0 = 0 \mathbf k\cdot\mathbf E_0 = 0 k ⋅ E 0 = 0 :电磁波是横波,每个 k \mathbf k k 有两个独立的偏振方向。
腔中的模式数 。边长为 L L L 的立方腔,用周期性边界条件(§P2.2 ),k = 2 π L ( n x , n y , n z ) \mathbf k = \frac{2\pi}{L}(n_x,n_y,n_z) k = L 2 π ( n x , n y , n z ) ,每个 k \mathbf k k 在 k k k 空间占体积 ( 2 π ) 3 / V (2\pi)^3/V ( 2 π ) 3 / V 。频率不超过 ω \omega ω 的模式数为 2 × V ( 2 π ) 3 ⋅ 4 π 3 ( ω c ) 3 = V ω 3 3 π 2 c 3 2\times\frac{V}{(2\pi)^3}\cdot\frac{4\pi}{3}\left(\frac\omega c\right)^3 = \frac{V\omega^3}{3\pi^2c^3} 2 × ( 2 π ) 3 V ⋅ 3 4 π ( c ω ) 3 = 3 π 2 c 3 V ω 3 (因子 2 来自偏振),对 ω \omega ω 求导得模式密度:
g ( ω ) = V ω 2 π 2 c 3 (P3.11) g(\omega) = \frac{V\omega^2}{\pi^2c^3} \tag{P3.11} g ( ω ) = π 2 c 3 V ω 2 ( P3.11 )
每个模式是一个谐振子 。把场按模式展开,每个模式的振幅满足谐振子方程,其能量具有 1 2 ( Q ˙ 2 + ω 2 Q 2 ) \frac12(\dot Q^2 + \omega^2Q^2) 2 1 ( Q ˙ 2 + ω 2 Q 2 ) 的形式(这是麦克斯韦方程的结构性结论,此处不展开)。量子化后,模式的能级为 ( n + 1 2 ) ℏ ω (n + \frac12)\hbar\omega ( n + 2 1 ) ℏ ω ,n n n 就是该模式中的光子 数,每个光子带能量 ℏ ω \hbar\omega ℏ ω 、动量 ℏ k \hbar\mathbf k ℏ k 。
经典的困难 。若按经典均分,每个模式(两个平方项)的平均能量为 k B T k_{\mathrm B}T k B T ,则单位体积、单位频率间隔的辐射能量为
u ( ω ) = ω 2 π 2 c 3 k B T (P3.12) u(\omega) = \frac{\omega^2}{\pi^2c^3}\,k_{\mathrm B}T \tag{P3.12} u ( ω ) = π 2 c 3 ω 2 k B T ( P3.12 )
(瑞利–金斯公式),对全部频率积分发散——"紫外灾难"(§9.10 )。第15章 用量子谐振子的平均能量 (6.14) 代替 k B T k_{\mathrm B}T k B T ,得到普朗克公式。
§P3.5 光的散射与密度涨落
物理输入
偶极矩随时间变化的偶极子向外辐射电磁波,辐射功率为 P = d ¨ 2 / ( 6 π ε 0 c 3 ) P = \ddot d^2/(6\pi\varepsilon_0c^3) P = d ¨ 2 / ( 6 π ε 0 c 3 ) (拉莫尔公式)。
单个分子的散射 。频率为 ω \omega ω 的光照射分子,感生偶极矩 d = α E 0 cos ω t d = \alpha E_0\cos\omega t d = α E 0 cos ω t ,d ¨ = − ω 2 α E 0 cos ω t \ddot d = -\omega^2\alpha E_0\cos\omega t d ¨ = − ω 2 α E 0 cos ω t 。对时间平均(⟨ cos 2 ⟩ = 1 2 \langle\cos^2\rangle = \frac12 ⟨ cos 2 ⟩ = 2 1 ):
⟨ P ⟩ = α 2 E 0 2 ω 4 12 π ε 0 c 3 (P3.13) \langle P\rangle = \frac{\alpha^2E_0^2\,\omega^4}{12\pi\varepsilon_0c^3} \tag{P3.13} ⟨ P ⟩ = 12 π ε 0 c 3 α 2 E 0 2 ω 4 ( P3.13 )
散射正比于 ω 4 \omega^4 ω 4 (瑞利散射):蓝光比红光散射得强得多,所以天空是蓝色的,而日落时的阳光偏红。
介质的散射:只有涨落才散射 (简化论证)。把介质分成许多比光波长小得多的小格子,第 j j j 个格子含 N j N_j N j 个分子,它向某个侧向方向散射的电场正比于 N j N_j N j ,相位由格子的位置决定。若每个格子的分子数都等于平均值 N ˉ \bar N N ˉ ,各格子的散射波在侧向上相干抵消——完全均匀的介质不向侧面散射光(光在玻璃中直线传播就是这个原因)。写 N j = N ˉ + δ N j N_j = \bar N + \delta N_j N j = N ˉ + δ N j ,平均部分抵消后只剩涨落部分;不同格子的涨落相互独立(格子大于涨落的关联长度时),它们的散射强度直接相加:
I 侧向 ∝ ∑ j ⟨ δ N j 2 ⟩ , ⟨ δ N 2 ⟩ = N ˉ n k B T κ T (P3.14) I_{\text{侧向}}\propto\sum_j\langle\delta N_j^2\rangle,\qquad \langle\delta N^2\rangle = \bar N\,n\,k_{\mathrm B}T\kappa_T \tag{P3.14} I 侧向 ∝ j ∑ ⟨ δ N j 2 ⟩ , ⟨ δ N 2 ⟩ = N ˉ n k B T κ T ( P3.14 )
第二式由 (8.8) 得到。对理想气体 κ T = 1 / p \kappa_T = 1/p κ T = 1/ p ,⟨ δ N 2 ⟩ = N ˉ \langle\delta N^2\rangle = \bar N ⟨ δ N 2 ⟩ = N ˉ ,散射强度等于各分子独立散射之和;在临界点附近 κ T → ∞ \kappa_T\to\infty κ T → ∞ ,散射急剧增强,介质变得浑浊——这就是临界乳光 (爱因斯坦 1910 年的解释;第19章 )。光散射因此是测量密度涨落与压缩系数的实验手段。
§P3.6 电路、电阻与热噪声
物理输入
电容器的能量 Q 2 / 2 C Q^2/2C Q 2 /2 C ;电感的能量 L I 2 / 2 LI^2/2 L I 2 /2 (I = d Q / d t I = dQ/dt I = d Q / d t );电阻满足 V = I R V = IR V = I R ,消耗功率 I 2 R I^2R I 2 R 。
LC 电路是一个谐振子 。回路方程 L d I / d t + Q / C = 0 L\,dI/dt + Q/C = 0 L d I / d t + Q / C = 0 ,即 L Q ¨ + Q / C = 0 L\ddot Q + Q/C = 0 L Q ¨ + Q / C = 0 ,与 m x ¨ + k x = 0 m\ddot x + kx = 0 m x ¨ + k x = 0 形式相同(Q ↔ x Q\leftrightarrow x Q ↔ x ,L ↔ m L\leftrightarrow m L ↔ m ,1 / C ↔ k 1/C\leftrightarrow k 1/ C ↔ k ),频率 ω 0 = 1 / L C \omega_0 = 1/\sqrt{LC} ω 0 = 1/ L C ,能量 1 2 L I 2 + Q 2 / 2 C \frac12LI^2 + Q^2/2C 2 1 L I 2 + Q 2 /2 C 。在温度 T T T 下,电容器上的电荷有热涨落;由均分定理 (5.16) ,⟨ Q 2 ⟩ / 2 C = 1 2 k B T \langle Q^2\rangle/2C = \frac12k_{\mathrm B}T ⟨ Q 2 ⟩ /2 C = 2 1 k B T ,所以
⟨ V 2 ⟩ = ⟨ Q 2 ⟩ C 2 = k B T C (P3.15) \langle V^2\rangle = \frac{\langle Q^2\rangle}{C^2} = \frac{k_{\mathrm B}T}{C} \tag{P3.15} ⟨ V 2 ⟩ = C 2 ⟨ Q 2 ⟩ = C k B T ( P3.15 )
例如 C = 1 C = 1 C = 1 pF、300 K 时,电压涨落的方均根约为 64 μV。这个"k B T / C k_{\mathrm B}T/C k B T / C 噪声"与电路中电阻的大小无关。
电阻的热噪声(约翰逊–奈奎斯特噪声,启发式推导) 。把电阻 R R R 与电容 C C C 并联。把电阻看成一个理想电阻串联一个随机的噪声电压源,其噪声在各频率上均匀分布("白噪声"),单位频率间隔(f ≥ 0 f\ge0 f ≥ 0 )内的方均电压记为 S V S_V S V 。电容上的电压通过 R C RC RC 低通电路响应噪声源:频率为 f f f 的分量在电容上的振幅比为 1 / ∣ 1 + i 2 π f R C ∣ 1/\lvert1 + i2\pi fRC\rvert 1/ ∣ 1 + i 2 π f RC ∣ (用复阻抗,提示 A13 )。各频率分量的贡献相加(提示 A14 ):
⟨ V C 2 ⟩ = ∫ 0 ∞ S V d f 1 + ( 2 π f R C ) 2 = S V 2 π R C ⋅ π 2 = S V 4 R C \langle V_C^2\rangle = \int_0^\infty\frac{S_V\,df}{1 + (2\pi fRC)^2} = \frac{S_V}{2\pi RC}\cdot\frac\pi2 = \frac{S_V}{4RC} ⟨ V C 2 ⟩ = ∫ 0 ∞ 1 + ( 2 π f RC ) 2 S V df = 2 π RC S V ⋅ 2 π = 4 RC S V
(令 u = 2 π f R C u = 2\pi fRC u = 2 π f RC ,∫ 0 ∞ d u / ( 1 + u 2 ) = π / 2 \int_0^\infty du/(1+u^2) = \pi/2 ∫ 0 ∞ d u / ( 1 + u 2 ) = π /2 。)平衡时它必须等于 (P3.15) 的 k B T / C k_{\mathrm B}T/C k B T / C ,而且这对任何 R R R 都成立,所以
S V = 4 k B T R (P3.16) S_V = 4k_{\mathrm B}TR \tag{P3.16} S V = 4 k B TR ( P3.16 )
例如 R = 1 M Ω R = 1\ \mathrm{M\Omega} R = 1 MΩ 、带宽 10 kHz、300 K 时,噪声电压的方均根为 4 k B T R Δ f ≈ 13 \sqrt{4k_{\mathrm B}TR\Delta f}\approx13 4 k B TR Δ f ≈ 13 μV。电阻(耗散)越大,热噪声(涨落)越大:这是涨落–耗散关系的又一个例子,第24章 将给出严格推导。
自测题
用 (P3.16) 估计 R = 50 Ω R = 50\ \Omega R = 50 Ω 、带宽 1 GHz、300 K 时的噪声电压方均根。[答:约 29 μV]
对 J = 1 / 2 J = 1/2 J = 1/2 逐项验证 ∑ m m 2 = J ( J + 1 ) ( 2 J + 1 ) / 3 \sum_mm^2 = J(J+1)(2J+1)/3 ∑ m m 2 = J ( J + 1 ) ( 2 J + 1 ) /3 ,并验证 (P3.5) 在 J = 1 / 2 J = 1/2 J = 1/2 、g J = 2 g_J = 2 g J = 2 时与 (6.7) 一致。
由 (P3.9) 求氩的 r min r_{\min} r m i n ,并说明在 r ≫ σ r\gg\sigma r ≫ σ 时伦纳德–琼斯势的吸引部分与 (P3.7) 、(P3.8) 中哪一种力相对应。[答:r min ≈ 0.38 r_{\min}\approx0.38 r m i n ≈ 0.38 nm;氩没有固有偶极矩,对应色散力 (P3.8) ]
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