第 八 章玻色统计和费米统计ppt课件.ppt

第 八 章玻色统计和费米统计,一个例子光子气体考虑一个谐振子，其能级结构为 根据 Boltzmann 统计，处于温度 T 的平衡态的该谐振子，处于能级 的概率为其中单粒子配分函数 为,如果用产生湮灭算符 (creator-annihilator) 来描述该谐振子，则处于能级 的谐振子的可以理解为有 n 个由产生算符从“真空”中产生的粒子（如光子），则我们可以计算该谐振子在温度 T 下的平均生成的粒子数：,：光子的能量,对比玻色分布：,1 热力学量的统计表达式,配分函数取为,2 弱简并理想玻色气体和费米气体,本节以分子的平动自由度为例，讨论弱简并条件（ 或 虽小但不可忽略）下的玻色气体和费米气体的性质，为方便起见，我们将两种气体的性质同时讨论.,其中 g 是由于粒子可能具有的自旋而引进的简并度。考虑到平动自由度的能级是准连续的，求和可以用积分来近似，于是系统的总分子数为,3 玻色爱因斯坦凝聚,（已做习题，汪书 6.1）,4 平衡辐射（光子气体）4.1 平衡辐射的热力学理论（宏观处理） 4.1.1 定义只要有温度的物体,都存在热辐射.一般而言,热辐射的 强度按频率的分布与辐射体的温度和性质有关. 热辐射：电磁波 描述电磁波的参数：波矢+极化方向 主要观测物理量：热力学量：,平衡热辐射的特性将只取决于温度,与辐射体的其他特性无关,4.1.2 主要结论,热力学理论只关注,压强与能量密度的关系(实验或统计物理得到),内能,熵,吉布斯函数,光子的化学势为0！,通量密度,4.2 平衡辐射的统计物理理论 目的：求能量密度 及其它热力学函数.,4.2.1 微观粒子的定义 具有一定的 动量 及极化方向的光子. 平面波与光子之间遵从德布罗意关系： 由波动方程可以推得 ，于是有 .,4.2.2 光子的统计分布光子是玻色子，遵从玻色爱因斯坦统计，处于能量 的一个相格的平均粒子数为由于粒子数不守恒 化学势,有两个极化方向，极化简并度 g = 2,4.2.3 态密度 或等能面：等能面包含的微观状态数,以 为自变量于是在 处的态密度为,4.2.4 能量密度在 处的光子数密度能量密度,4.3 有关平衡辐射的经典公式 从普朗克公式出发,4.4 光子气体的热力学函数,5 自由电子气体,微观粒子晶格中的各个原子能级及自由度每个原子有三个自由度，可看作三个振子的振动.振子的能级为,能量均分定理的简单应用原子之间相互独立，是定域系统，用 Boltzmann 统计. 由能量均分定理，每个原子的平均简谐振动的能量为,在室温和高温范围与实验结果符合地很好，在低温范围与实验结果存在较大偏差.,爱因斯坦理论原子之间相互独立，每一个振子都定域在其平衡位置附近作振动，因此振子是可以分辨的，都遵从玻尔兹曼分布. 由于每一个原子受力情况都一样，得 3N 个谐振子的频率都相同.,高温下与利用能量均分定理得到结果一致；低温下当 T0 时， Cv 0 ，与实验结果能定性符合.,德拜理论固体中相邻原子间的距离很小（10-10 量级），原子的存在很强的相互作用.通过线性变换可以将能量写成简正坐标和动量的平方和的形式，共有 3N-6 个简正振动，N 很大时，可以近似认为有 3N 个简正振动.德拜将固体看作弹性媒介， 3N 个简正振动是弹性媒质的波动，固体上任意的弹性波都可以分解为 3N 个简正振动的叠加. 弹性波有纵波和横波两种，用 cl 和 ct 分别表示纵波和横波的传播速度，按照推导平衡辐射频谱的方法可以得到在 范围内简正振动数为,由于固体只有 3N 个简正振动，必须假设存在一个最大的圆频率，令可得 ， 称作德拜频率可推得，高温下热容量为 3Nk ；低温下，热容量 ，对于非金属固体与实验符合，对于金属固体还要考虑自由电子对热容的贡献.,强简并条件：,或,定性分析： 时，函数 按指数规律随 变化，实际上只有在 附近数量级为 kT 的范围内，电子的分布与 T=0 时的分布有差异.上面结论也可以从曲线的斜率来观察，可以算得,温度升高时，只在 附近数量级为 kT 的能量范围内占据情况发生改变，只有在此范围内的电子对热容量有贡献。可以据此估算电子气体的热容量:利用能量均分定理，第一有效电子对热容的贡献为 ，则自由电子对热容量的贡献为对铜的估计，室温范围 ，所以在室温范围，金属中自由电子对热容的贡献远小于经典理论值，与离子振动的热容相比可以忽略不计.,注：强简并条件,定量计算：,