- •1.Исторический обзор развития термодинамики и статистической физики.
- •2.Простые модельные системы. Конфигурации. Макросостояние и микросостояние системы. Однородное и неоднородное состояние системы
- •3.Распределение вероятностей для случайной физической величины. Теоремы сложения и умножения вероятностей.
- •4. Понятие вероятности. Статистическая независимость и квадратичная флуктуация
- •5.Равновесное и неравновесное состояния системы. Флуктуации. Необратимость. Энтропия.
- •6.Классическое описание движения механических систем. Канонические уравнения движения гамильтона
- •7.Фазовое пространство. Точка фазового пространства. Объем фазового пространства. Фазовая траектория. Статистический ансамбль.
- •8.Теорема лиувилля. Функция статистического распределения
- •11. Распределение Максвелла
- •12. Распределение Максвелла-Больцмана
- •13.Микроканонический ансамбль.
- •17. Уравнение состояния идеального газа
- •18. Одноатомный идеальный газ.
- •19. Двухатомный идеальный газ. Вращательная и колебательная степени свободы.
- •20.Классическая теория теплоемкости многоатомного идеального газа.
- •23.25. Квантово-механическое описание систем. У.Ш. Рассчет числа возможных состояний ид.Газа.
- •29.21 Теплоемкость твердых тел. Теория эйнштейна.
- •30. Теплоемкость твердых тел. Теория Дебая.
- •31. Теория флуктуаций
- •32.Термодинамическая система. Равновесные состояния и равновесные процессы. Температура. Нулевое начало.
- •33.Изопроцессы. Работа.
- •35. Теплоемкость газа.
- •36. Круговые процессы. Цикл Карно.
- •38. Процесс джоуля-томсона
- •40. Второе начало термодинамики.
- •41.Энтропия. З-н возраст.Э-пии
- •42. Неравенство клаузиуса. Общие условия термодин-го равновесия и устойчивости однородной системы.
- •43. Третье начало термод. И его следствия
- •44.Системы с переменным количеством вещества. Химический потенциал.
- •45.Равновесие фаз. Фазовые переходы первого рода
- •47. Броуновское движение. Уравнение фоккера-планка
- •48. Фазовые переходы второго рода. Теория ландау
- •51.Явления переноса. Уравнение фурье. Нестационарное уравнение теплопроводности.
- •52. Каноническое распределение и термодин. Функции.
23.25. Квантово-механическое описание систем. У.Ш. Рассчет числа возможных состояний ид.Газа.
Соотношение неопределенностей Гейзенберга ∆x∆p≥h устанавливает различия в описании состояния систем в квантовой и классической механике. Состояние частицы в классической механике описывается с помощью координат и импульсов (точка в фазовом -пространстве). Квантовая же частица в состоянии с определенными координатами (x, y, z) не обладает определенным импульсом. То есть, для квантовой частицы не существует состояний, в которые ее координаты и импульсы имели бы одновременно точные значения. Состояние квантовой системы описывает главная величина в квантовой механике – волновая функция (x, y, z, t). Шредингер установил соответствующее уравнение для волновой функции. Его следует понимать как один из постулатов квантовой механики, и оно играет в ней такую же роль, как 2-ой закон Ньютона в классической механике. Для стационарных состояний, в которых вероятности измерения физических величин не зависят от времени, уравнение Шредингера имеет вид Для нахождения волновой функции должны быть еще заданы граничные условия, которые сводятся к требованию однозначности и непрерывности волновой функции и ее первой производной. Как и в любой теории, дающей вероятностное описание, в квантовой механике сопоставление с опытом производится для средних значений физических величин.
Рассмотрим общие свойства решений уравнения Шредингера на простом примере движения электрона в прямоугольной бесконечно глубокой потенциальной яме,
Видно, что уравнение Шредингера имеет решения, удовлетворяющие граничным условиям только при дискретных значениях квантовых чисел. n1, n2 и n3 образуют фазовое пр-во.
ЧИСЛО СОСТОЯНИЙ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ФАЗОВЫМ ОБЪЕМОМ. ТОГДА ЭТА ЗАДАЧА СВОДИТСЯ К НАХОЖДЕНИЮ ФАЗОВОГО ОБЪЕМА ОБЛАСТИ E÷E+dE. Объем слоя dE=dV=4pi*R^2/8dR=4*pi(n1^2+n2^2+n3^2)
Значит
24.26. РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В КВАНТОВОЙ СТАТИСТИКЕ. ЧАСТИЦА В ПРЯМОУГОЛЬНОМ ЯЩИКЕ. ГАРМОНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР. МАТРИЦА ПЛОТНОСТИ.Квантовая статистика – это применение статистического метода Гиббса для описания квантовых систем. Суть статистического метода одинакова и для классических, и для квантовых систем: необходимо определить вероятность того, что система находится в данном микросостоянии. Для классической статистики микросостояние – это одновременное задание координат и импульсов (q, p) всех частиц системы. Для квантовой системы это невозможно из-за принципа неопределенности. Квантовая система может иметь только определенный набор дискретных значений энергий, называемый ее энергетическим спектром. Каждому значению энергии En соответствует одно или несколько различных квантовых состояний. Под n понимается совокупность квантовых чисел, которые и определяют состояние системы. Так что микросостояние квантовой системы – это задание полного набора квантовых чисел n (n1, n2, …) или соответствующих значений энергий En (E1, E2, …) системы. Пусть квантовая система находится в контакте с термостатом (окружающей средой) при температуре Т (заданы число частиц N, объем системы V и температура Т). Тогда, можно показать, что выражение для вероятности n того, что система находится в квантовом состоянии с энергией En, определяется соотношением, подобным каноническое распределение Гиббса в квантовой статистике. Z называется статистической суммой системы Она заменяет в квантовой статистике статистический интеграл. Важно отметить, чтоn – это именно вероятность данного состояния системы, а не вероятность системы иметь определенное значение энергии Еn, потому что при вырождении данной энергии может соответствовать не одно, а несколько различных состояний. С помощью распределения Гиббса можно вычислить среднее по ансамблю (статистическое среднее) любой физической величины, зависящей от состояния системы. Если L (En) – значение этой величины для состояний с энергией En, то по определению среднего значения . Матрица плотности (оператор плотности)один из способов описания состояния квантовомеханической системы. В отличие от волновой функции, пригодной лишь для описания чистых состояний, оператор плотности в равной мере может задавать как чистые, так и смешанные состояния. Гармонический осциллятор в квантовой механике представляет собой квантовый аналог простого гармонического осциллятора, при этом рассматривают не силы, действующие на частицу, а гамильтониан, то есть полную энергию гармонического осциллятора, причём потенциальная энергия предполагается квадратично зависящей от координат. Гамильтониан квантового осциллятора массы m, собственная частота которого ω, выглядит так:Частица может двигаться по осих в обоих направлениях, но не может находиться вне ящика, где U=∞, а ψ=0.. Уравнение Шредингера для одномерного движения внутри ящика Граничные условия:ψ(0)= ψ(α)=0. Общее решение ψ(x)=Asin(k*x)+Bcos(k*x) приВидно, что уравнение Шредингера имеет решения, удовлетворяющие граничным условиям только при дискретных значениях квантового числаn. Таким образом, энергия частицы в потенц. яме оказывается квантованной. Причем дискретность энергии возникла естественным образом, без каких-либо дополнительных предположений, как следствие граничных условий, налагаемых на волновую функцию. Оказывается, что состояние квантовой системы (электрон в потенциальной яме в нашем примере) определяется квантовым числом n.
27,28. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ФЕРМИ И БОЗЕ. Согласно квантовой теории все микрочастицы подразделяют на два класса, которым соответствуют две квантовые статистики:1) частицы с полуцелым спином, их называют фермионами; они подчиняются статистике Ферми-Дирака; 2) частицы с целым спином — бозоны; они подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Во всех трех статистиках (классической, Бозе-Эинштеина и Ферми-Дирака) допустимые микросостояния считаются равновероятными. Но различие их — в способах определения микросостояний и статистических весов. В статистике Больцмана считается, что даже тождественные частицы принципиально различимы. В квантовых же статистиках, наоборот, считается, что тождественные частицы принципиально неразличимы.
В статистике Ферми-Дирака в каждом квантовом состоянии может находиться не более одной частицы (принцип Паули), а в статистике Бозе-Эйнштейна — любое число частиц.
Для описания состояния системы частиц рассматривают воображаемое шестимерное пространство, каждая точка которого
характеризуется шестью координатами: х, у, z, px ,py ,pz. Это так называемое фазовое пространство. Состояние системы определяется тем, как распределены в этом пространстве точки, изображающие состояния всех N частиц системы. При этом нужно учесть присущий частицам корпускулярно-волновой дуализм, согласно которому неопределенности координаты х и соответствующей проекции импульса рх могут быть определены только с неопределенностью, произведение которых, согласно принципу неопределенностей Гейзенберга, δxδpx≥h . Аналогично и для других пар: у и py , z и рг. Поэтому естественно считать, что данному состоянию частицы в фазовом пространстве соответствует не точка, а фазовая ячейка, объем которой
Распределение частиц по таким фазовым ячейкам есть предельно подробное квантовое описание состояния системы.
Квантовые распределения. Эти распределения представляют собой функции определяющие средние числа частицв одной фазовой ячейке с энергией или функции заполнения ячеек:
Здесь μ — так называемый химический потенциал (некоторая характерная энергия, значение которой можно найти из условия нормировки: суммарное число частиц во всех фазовых ячейках должно быть равно полному числу N частиц макросистемы).