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系綜理論的基本概念與系綜的分類


實驗室k / 2018-11-10

       經(jīng)典的近獨立粒子系統(tǒng)統(tǒng)計理論的統(tǒng)計對象是粒子,強調(diào)討論體系中粒子的特性,觀測不同能級下粒子的分布,分析粒子在不同微觀運動狀態(tài)下的統(tǒng)計規(guī)律,等等。而系綜理論與經(jīng)典的近獨立粒子系統(tǒng)統(tǒng)計理論不同,系綜理論的統(tǒng)計對象將不是各個單粒子態(tài)的分布,而轉(zhuǎn)為統(tǒng)計在某一宏觀狀態(tài)下系統(tǒng)內(nèi)各微觀態(tài)的分布,因為每一微觀態(tài)都可看作是在討論系統(tǒng)中一定宏觀條件下的一個系統(tǒng),在這個系統(tǒng)內(nèi)具有大量的微觀狀態(tài)完全相同的粒子,這樣的系統(tǒng)稱作樣本系統(tǒng),所有樣本系統(tǒng)均屬于整個系統(tǒng),故而實際統(tǒng)計的是大量的樣本系統(tǒng),只是這些樣本系統(tǒng)處在不同的微觀態(tài)而已。稱這一大群樣本系統(tǒng)的集合叫做統(tǒng)計系綜,簡稱系綜。因此系綜實際上就是所討論系統(tǒng)內(nèi)所有可能的微觀狀態(tài)的集合。

       對于系綜理論,討論時應(yīng)注意三個基本假設(shè):
       (1)構(gòu)成系綜的樣本系統(tǒng)的數(shù)目應(yīng)足夠大,足以代表系綜各種可能出現(xiàn)的微觀狀態(tài),并可反映這些微觀狀態(tài)的出現(xiàn)幾率。
       由于每一樣本系統(tǒng)內(nèi)均含有大量性質(zhì)相同的粒子,而構(gòu)成系綜的樣本系統(tǒng)的數(shù)目又足夠大,故而系綜理論與經(jīng)典的近獨立粒子系統(tǒng)統(tǒng)計理論一樣,其討論的第一先決條件是具有大量的討論粒子。
       (2)討論系綜理論的基本方法同樣是概率理論。系綜理論要求討論系統(tǒng)具有大量性是為了可以正確地反映討論系統(tǒng)內(nèi)各個微觀狀態(tài)的出現(xiàn)幾率。而概率理論對討論系統(tǒng)的最基本要求是隨機性。因此系綜理論與經(jīng)典的近獨立粒子系統(tǒng)統(tǒng)計理論一樣要求討論系統(tǒng)滿足隨機性要求。隨機性即無序性,亦就是系綜理論與經(jīng)典的近獨立粒子系統(tǒng)統(tǒng)計理論一樣要求討論系統(tǒng)滿足無序性要求。
       (3)系綜理論與經(jīng)典的近獨立粒子系統(tǒng)統(tǒng)計理論一樣,統(tǒng)計理論計算的結(jié)果——統(tǒng)計平均值即為討論系統(tǒng)的宏觀力學量。因此,系綜理論與經(jīng)典的近獨立粒子系統(tǒng)統(tǒng)計理論一樣,要求討論系統(tǒng)滿足統(tǒng)計平均性。
       滿足大量性、隨機性和統(tǒng)計平均性的討論系統(tǒng)只是氣體,液體的微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)存在著近程有序特性,固體的微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)存在著有序特性。因此液體、固體不能滿足系綜理論的隨機性和統(tǒng)計平均性要求,原則上不適合以系綜理論討論液體和固體,較適用討論液體情況的是徑向分布函數(shù)理論。由于經(jīng)典的近獨立子系理論對粒子的基本設(shè)定為粒子間相互作用可以忽略不計,而系綜理論對粒子的基本設(shè)定為粒子間相互作用可以存在。因此在所討論系統(tǒng)都可滿足大量性、隨機性和統(tǒng)計平均性的基本條件情況下經(jīng)典的近獨立子系理論應(yīng)適合于理想氣體的討論,而系綜理論應(yīng)適用于理想氣體和實際氣體的討論。
       當然,在近代統(tǒng)計力學理論中亦有介紹將系綜理論應(yīng)用于液體的情況,這是由于液體在微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)除存在著近程有序特性之外,還存在有分子運動的隨機性和無序性。我們需要強調(diào)的是應(yīng)用統(tǒng)計力學理論時應(yīng)注意其允許討論的前提。
       若是得到分布函數(shù)的具體形式,即可求得物理量的平均值。但是系統(tǒng)宏觀條件會有不同,這會影響微觀態(tài)的分布,不同的宏觀條件會形成不同的系綜,常用有三種系綜,與其相應(yīng),亦有三種系綜分布函數(shù)。
       (1)微正則系綜:一群保守的、孤立的或近似孤立的相同系統(tǒng)的集合稱作微正則系綜。其宏觀條件中總能量、粒子總數(shù)和體積應(yīng)恒定,即:△U=0,△N=0,△V=0
       也就是說,這種系綜適用于與外界沒有能量交換和粒子交換的孤立(隔離)系統(tǒng)。
       (2)正則系綜:一群與一個大熱源相接觸并處于熱平衡的相同系統(tǒng)的集合被稱作正則系綜。其宏觀條件是溫度、粒子總數(shù)和體積恒定,而能量有變化,即:△T=0,△N=0,△V=0,△U≠0
       這種系綜適用于與環(huán)境只有能量交換的封閉系統(tǒng)。
       (3)巨正則系綜:一群與一熱源和粒子源有能量交換和粒子交換,并處于平衡的相同系統(tǒng)的集合被稱作巨正則系綜。其宏觀條件是溫度和體積恒定,有一定的化學勢,但能量和粒子數(shù)有變化。即:△T=0,△μ=0,△V=0,△U≠0,△N≠0
       這種系綜適用于與環(huán)境有能量也有物質(zhì)交換的敞開系統(tǒng)。
       統(tǒng)計物理理論指出,巨正則系綜分布函數(shù)具有普遍意義,在理論上具有代表性,正則分布函數(shù)和微正則分布函數(shù)都可以從巨正則分布函數(shù)直接導出,由此可知,正則分布及微正則分布是巨正則分布在一定條件下的特殊情況。


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