第八章 玻色统计和费米统计
玻色统计和费米统计
g 2V (2 m )3 /21 /2 e l(1 e l)d
h 3
0
g 2 h 3 V ( 2 m ) 3 /2 e (0 1 /2 e ld 0 1 /2 e 2 ld )
N g(2h m 2 )k 3/2V T e (12 1 3/2e )
2、 理解弱简并理想气体的概念，了解统 计方法在玻色气体和费米气体上的应用。
3、了解玻色—Einstein凝聚现象。 4、掌握 金属中的自由电子气体的费米分 布特性及其对固体热容量的贡献。
.
.
U
0
D()a()d2 3g (2h m 2 )3 k /2 V T e k(1 T 2 1 5 /2e )
相除
U3Nk(1T 1 e)
2
25/2
二、 弱简并条件
利用玻耳兹曼统计的结果
n N V
e N N( h2 )3/2 1 1 Z 1 V 2mkT g
小，稀薄。 T 大，高温。 m大，经典粒子。
0
1/2d
ekT 1
.
T Tc 0
n2h3 (2m)3/2
0
1/2d
ekTc 1
令 x
kT c
n2h3(2mkc)3T/2 0
x1/2dx ex1
Tc
(2.621)22/3
2 n2/3 mk
.
低温 TTc情况 :
§8.2 弱简并玻色气体和费米气体
玻色统计与费米统计描述不可区分的粒子系统。主 要是空间中不可区分。但当粒子在空间可以区分稀薄 气体时，应该由描述可区分粒子系统的理论－玻耳兹 曼统计描述。这种粒子系统叫非简并气体。
al
l
el
1
e 1
玻色统计和费米统计讲义
y
d ( ln Z ) d ln Z d[ ln Z ] d ( ln Z )
因为 N ln Z
∴ (dU Ydy) d[ln Z ln Z ln Z ] d N
∴ (dU Ydy d N ) d[ln Z ln Z ln Z ]
6
对于闭系： d N 0
y
y
由 Z [1 el ]l 知， Z 是 、 和 y的函数，ln Z 也是 、
l
和 y 的函数
∴ d ln Z ln Z d ln Z d ln Z dy
y
5
∴ (dU Ydy) d ( ln Z ) ln Z dy
y
d ( ln Z ) ln Z d ln Z dy d ( ln Z ) d ln Z ln Z d
∴ (dU Ydy) d[ln Z ln Z ln Z ]
是 dU Ydy的积分因子， dU Ydy同样有积分因子 1
T
∴ 1
kT
∴ dS 1 (dU Ydy) kd[ln Z ln Z ln Z ]
T
积分得：
S k[ln Z ln Z ln Z ] k[ln Z N U ]
度升高时，由于热激发电子有可能跃迁到较高的未被占据的状
态去。但处在低能级的电子要跃迁到未被占据的状态，必须吸
取很大的热运动能量，这是极小可能的，所以绝大多数状态的
1
fd
4V
3
(2m) 2
h3
2 d
e kT 1
10
在给定电子数 N ，温度 T 和体积 V 时，总粒子数为：
1
N
4V
h3
3
(2m) 2
0
2 d
e kT 1
∴化学势 是温度 T 和粒子数密度 n N 的函数。
第八章 玻色统计和费米统计
第八章 玻色统计和费米统计§8.1 热力学量的统计表达式本节推导玻色系统和费米系统热力学量的统计表达式。
玻色系统：系统的平均总粒子数为 1lll llN a e αβεω+==-∑∑引入巨配分函数Ξ，定义为()1lll lleωαβε---Ξ=Ξ=-∏∏()()ln ln 1ln(1)ln 1llllll llleeeωωαβεαβεαβεω--------Ξ=-=-=--∏∑∑()ln 1sse αβε--=--∑系统的平均总粒子数N 可表为 1ln 11lsllsN e e αβεαβεωα++∂===-Ξ--∂∑∑内能是系统中粒子无规运动总能量的统计平均值 ln 1ll ll l llU a e αβεωεεβ+∂===-Ξ-∂∑∑外界对系统的广义力i Y 是l iy ε∂∂的统计平均值1ln 1ll lli l llii iY a y y ey αβεεεωβ+∂∂∂==⋅=-⋅Ξ∂∂-∂∑∑物态方程特例：对于(,)P V 系统 ,Y P y V =-=1ln P Vβ∂=⋅Ξ∂下面推导玻色系统熵的统计表达式 ln ln i i i i iidU Y dy d dy y βββ⎛⎫∂Ξ∂Ξ⎛⎫-=-+⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭∑∑（﹡）Ξ和ln Ξ是,αβ与()1,2,i y i = 的函数（l ε 是i y 的函数）， ln Ξ的全微分为ln ln ln ln i iid d d dy y αβαβ∂Ξ∂Ξ∂ΞΞ=++∂∂∂∑，ln ln ln ln i iidy d d d y αβαβ∂Ξ∂Ξ∂Ξ∴=Ξ--∂∂∂∑。
代入（﹡），得 ln ln ln ln i i i dU Y dy d d d d ββαββαβ⎛⎫∂Ξ∂Ξ∂Ξ⎛⎫-=-+Ξ-- ⎪⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭∑ ln ln ln d d d βαβα⎛⎫∂Ξ∂Ξ=-+Ξ- ⎪∂∂⎝⎭ ln ln ln ln d d d d βααβαα⎛⎫∂Ξ∂Ξ∂Ξ⎛⎫⎛⎫=-+Ξ-+ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭ ln ln ln d d N αβααβ⎛⎫∂Ξ∂Ξ=Ξ--- ⎪∂∂⎝⎭对于粒子数恒定的闭系（与外界有能量交换，但无物质交换），则0d N =。
热力学与统计物理：第八章 玻色统计与费米统计
CV
U T
V
5U 2T
1.925Nk
T Tc
六、理想玻色气体出现凝聚的临界条件：
3
n
3
n
2
h mkTc
2.612
也就是说在德布罗意波长范围内的原子 数必须大于2个。
七、有关实验
2021/3/11
第八章 玻色统计与费米统计
23
2021/3/11
第八章 玻色统计与费米统计
24
§8.4辐射的量子统计理论
l
N
e kTc －1
1
令x
kTc
,
2
h3
3
(2mkTC ) 2
x 2dx 0 ex－1 n
2021/3/11
第八章 玻色统计与费米统计
17
1
而
x 2dx＝ 0 ex－1
2
2.612＝I
Tc
2
3
(2.612) 2
h2 mk
2
n3
当 T TC 时，要保证 N const ，则 0 ，与前面结论
k
2021/3/11
第八章 玻色统计与费米统计
6
dU TdS pdV dn, pdV Ydy 又 ：（单位摩尔化学势d）n d N (单位粒子数化学势）
dU Ydy d N TdS
1 , S k(ln Z ln Z ln Z )
kT
以及
kT
2021/3/11
矛盾
三、矛盾的原因
2021/3/11
第八章 玻色统计与费米统计
18
关键在于当 时，将 0 上的粒子数忽略了
而 T TC 时，该能级上的粒子数是很大的数值，不可忽略
第八章_玻色分布和费米分布 ppt课件
弱简并情形下我们可以近似地用积分来处理 问题。为书写简便起见，我们将两种气体同时讨 论，在有关公式中，上面的符号适用于费米气体， 下面的符号适用于玻色气体。
2020/9/10
第八章 玻色统计和费米统计
10
考虑三维自由粒子的情形，为简单起见，不考虑粒 子的内部结构，因此只有平动自由度，粒子的能量为：
8
⑷ 熵:
Sk(lnΞ lnΞ lnΞ )(8.1.14)
⑸ 巨热力势:
JkTlnΞ
(8.1.15)
只要计算出系统的巨配分函数，就可以利用上面 的热力学公式得到相应的热力学量。
2020/9/10
第八章 玻色统计和费米统计
9
§8.2 弱简并理想玻色气体和费米气体
一般气体满足非简并性条件eα>>1 可用玻 耳兹曼分布来处理。
3
Ug
2V
h3
(2m)3/2
0
2d
e 1
引入变量x=βε, 上面两个式子可改写为：
Ng2h3V(2mkT)3/2 0ex1/x2dx1
3
Ug2h3V(2mkT)3/2 0 ex2xdx1
2020/9/10
第八章 玻色统计和费米统计
13
将被ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ函数的分母展开：
e1x 1ex(11ex)
在e 小的情形下，e x是一个小量，可利用下面的公式展开：
15
考虑到e-α很小，近似用玻耳兹曼分布的结果
e
ZNl VN2hm2kT3/2
1 g
代入前面的公式中，得：
U3 2NkT121 3/2g 1V N2hm 2kT3/2
热力学 统计物理：第八章 玻色统计和费米统计
y
y l
e l • ( ) • ( l )
1
[ y
l
l
ln(1 e l
)]
1
l
l
y 1 e l
l
l l
e l 1 y
Y 1 ln p 1 ln
y
V
N ln
U ln
Y 1 ln
y
dN d ( ln )
dU d ( ln )
Ydy 1 ln dy
U ln ln[ (1 e l )l ]
l
[
l
l ln(1 e l )]
l
l
e l • ( l )
1 e l
l
ll
e l 1
广义力Y是 l 的统计平均值：
y
Y
l
l
y
al
l
l l
e l 1 y
Y也可通过配分函数求得：
Y 1 ln 1 ln[ (1 e l )l ]
y
(dU Ydy dN ) d ( ln ) ln dy d ( ln )
y
(dU Ydy dN ) d ( ln ) ln dy d ( ln )
y
d ( ln ) ln • d ln • d ln dy d ( ln ) ln • d ln • d
e l 1
在实际应用中，两种分布的区别在于将和看作已知常量（开系条件
的平均分布），还是将N和U看作已知常量（孤立系统的最概然分布）。
说明： 本节推导玻色系统和费米系统热力学量的 统计表达式时，采用平均分布观点，也就
是将、和y（粒子能量含外参量y）看作 已知参量，而将热力学量表达为、和y的
函数。
回顾：
第8章 玻色统计和费米统计 《热力学统计物理》
利用
1 U ln Y ln N ln y
ln ln ln (dU Ydy dN ) d ( ) dy d ( ) y
ln ln ln ln d ( ) d ln d d d ( )
12
2 mkT 3 2 1 g( ) Ve [1 3 2 e ] （8.2. 6） 2 h 2
2V x 32 U g 3 (2mkT) x dx h 1 0 e
32
3 2 mkT 3 2 1 g ( ) VkTe [1 5 2 e ] （8.2. 7） 2 2 h 2
第八章 玻色统计与费米统计 14
(2) 费米系统
引入费米系统的配分函数
l [1 e
l l
l l
]
ln l ln(1 e l )
l
通过和玻色系统相似的运算，得到的热力学量的 统计表达式与玻色系统热力学量的统计表达式完全相 同。
第八章 玻色统计与费米统计 15
第八章 玻色统计与费米统计 23
将玻耳兹曼分布所得的结果
e
N h 32 1 ( ) V 2m kT g
2
2
作为零级近似代入上式，表示为经典极限条件的形式
3 1 1N h 32 U NkT [1 ( ) ] 2 4 2 g V 2m kT
3 1 3 U NkT[1 n ] 2 4 2g
1 (dU Ydy dN ) ds T
ln ln (dU Ydy dN ) d (ln ) ln ln dS kd (ln )
热力学统计物理 第八章 玻色统计和费米统计
l
l
e l ( l )
1 e l
l
l l
e l 1
U
对比玻耳兹曼分布
U ln
U N ln Z1
热统
5
3 广义力
Y
l
al
l
y
ln l ln(1 e l )
l
1 ln 1
y
y
l
l ln(1 e l )
l
l
e l (1) 1 e l
热统
1
§8.1 热力学量的统计表达
一、从非简并到简并
玻耳兹曼系统（玻耳兹曼分布） 孤立系统
定域粒子组成的系统，满足经典极限条件（非简并条件）的近
独立粒子系统
经典极限条件 al
（非简并条件）
l
e l
1
e 1
al le l
玻色分布和费米分布 趋向于玻耳兹曼分布。
Z1
l 0
e l
l
al ea
l
l
l
e l 1
U lal
l
l
ll
e l 1
l (1 e l )l
l
l
对比玻耳兹曼分布
热统
ln l ln(1 e l )
l
Z1
e l l
l 0
3
三、用巨配分函数表示热力学量
1 平均粒子数 N
N al
l
l
l
e l 1
ln l ln(1 e l )
al
ln(l
al
al
))
热统
k ln B.E 10
对于费米分布
F.D
l
l ! al !(l al )!
第8章 玻色统计与费米统计
Y
1 ln β y
特例：
P
1 ln β V
常州大学
数理学院
8.1
热力学量的统计表达式
三、熵的统计表达式
因为：β (dU Ydy α ln ln ln dN ) βd ( ) dy αd ( ) β β y α
而：d ln
[a
l
l
ωl ln al ωl al ln al ωl ln ωl ]
常州大学
数理学院
8.1
由al ωl e α βεl 1
热力学量的统计表达式
1 1 - e α βεl 1 al ; ωl
ωl α βε l ln 1 al
常州大学
数理学院
8.5
金属中的自由电子气体
弱简并条件： e α 1, 或e α 1
3 1 U 3 1 N h2 3 1 kT [1 ( ) 2 ] kT [1 nλ3 ] N 2 g 2 4 2 V 2πmkT 4 2g
18 而对自由电子气体： 铜的μ0 1.12 10 J或7.0eV
所以：dS kd (ln α
积分得：S k (ln α
ln β ln ) α β
ln β ln ) k (ln αN βU ) k ln α β
常州大学
数理学院
8.1
热力学量的统计表达式
证明： S k ln
生决定性的影响，使玻色气体和费米气体的性质迥然不同。
常州大学
数理学院
8.1
热力学量的统计表达式
二、热力学量的统计表达式（首先考虑玻色分布） 系统的平均总粒子数： N al
《第八章 玻色统计和费米系统》小结
《第八章 玻色统计和费米系统》小结本章概述本章讨论玻色和费米系统的热力学性质。
当经典极限条件不满足时，这些系统必须由玻色统计或费米统计来处理。
我们首先引入玻色系统和费米体统的配分函数的概念，由此分别得到玻色和费米系统的热力学函数。
并通过近似计算，讨论弱简并情况下的理想玻色气体和费米气体的性质；用统计物理学的思想讨论了光子气体的性质；通过对玻色积分的讨论，研究了玻色 - 爱因斯坦凝聚现象；作为费米气体的典型例子讨论了金属中的电子气的性质。
【基本概念】 1、巨配分函数玻色统计的巨配分函数[]∏∏----=Ξ=Ξll lle ωβεα1费米统计的巨配分函数[]∏∏--+=Ξ=Ξll lle ωβεα12、平均总粒子数l ll l e a Ξ∂∂-=-=+ln 1αωβεα Ξ∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛Ξ∂∂-=Ξ∂∂-=Ξ∂∂-==∴∏∑∑∑ln ln ln ln N ααααl l l l ll ll a 因而有：Ξ∂∂Ξ∂∂=Ξ∂∂-Ξ∂∂-=ln ln N ln ln N ααααl l l a这就是[]∏∏±--±=Ξ=Ξll lle ωβεα1被称为巨配分函数的原因。
其中‘ － '对应与玻色系统，‘ + '对应与费米系统 3、热力学函数内能Ξ∂∂=ln -U β广义力Ξ∂∂=ln 1-Y yβ熵⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂Ξ∂-∂Ξ∂-Ξ=ααββln ln ln S k 【基本规律】一、弱简并理想玻色气体和费米气体 1 ．弱简并条件1>>αe 或13<<λn2 ．弱简并理想玻色气体和费米气体的平均总粒子数和能量⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛=--ααπe Ve h m kT g 232322112N⎥⎦⎤⎢⎣⎡±=-αe NkT 241123U 取α-e 的零级近似，即为玻耳兹曼分布的结果。
1Z N =-αe ,而2333121Z ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==⎰⎰-βπβεm h V g dp dp dxdydzdp e h gz y x所以23221⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅=-mkT hg V N e πα可得⎥⎦⎤⎢⎣⎡±=31241123U λn g NkT 其中‘ － '对应与玻色系统，‘ + '对应与费米系统 二、强简并玻色系统，玻色 — 爱因斯坦凝聚现象 对于强简并的玻色气体，存在临界温度C T ，时在C T T <时就有宏观量级的粒子在能级0=ε凝聚 ，这一现象称为玻色— 爱因斯坦凝聚。
热力学与统计物理课后答案第八章(汪志诚)
147第八章玻色统计和费米统计8.1试证明，对于玻色或费米统计，玻耳兹曼关系成立，即ln .S k Ω=解:对于理想费米系统，与分布{}l a 相应的系统的微观状态数为（式（6.5.4））()!,!!l ll l l Ωa a ωω=−∏（1）取对数，并应用斯特令近似公式，得（式（6.7.7））()()ln ln ln ln .l l l l l l l l lΩa a a a ωωωω=−−−−⎡⎤⎣⎦∑（2）另一方面，根据式（8.1.10），理想费米系统的熵为()ln ln ln ln S k ΞΞΞk ΞN Uαβαβαβ⎛⎞∂∂=−−⎜⎟∂∂⎝⎠=++()ln ,l l l k Ξa αβε⎡⎤=++⎢⎥⎣⎦∑（3）其中费米巨配分函数的对数为（式（8.1.13））()ln ln 1.l l lΞe αβεω−−=+∑（4）由费米分布e 1l ll a αβεω+=+易得1481e l l l la αβεωω−−+=−（5）和l n.l ll la a ωαβε−+=（6）将式（5）代入式（4）可将费米巨配分函数表示为ln ln.ll ll lΞa ωωω=−∑（7）将式（6）和式（7）代入式（3），有ln ln l l l l l l l l l a S k a a a ωωωω⎛⎞−=+⎜⎟−⎝⎠∑()()ln ln ln .l l l l l l l l lk a a a a ωωωω=−−−−⎡⎤⎣⎦∑（8）比较式（8）和式（2），知ln .S k Ω=（9）对于理想玻色系统，证明是类似的.8.2试证明，理想玻色和费米系统的熵可分别表示为()()()()B.E.F.D.ln 1ln 1,ln 1ln 1,s s s s ss s s s sS k f f f f S k f f f f =−++⎡⎤⎣⎦=−+−−⎡⎤⎣⎦∑∑其中s f 为量子态s 上的平均粒子数.s∑表示对粒子的所有量子态求和.同时证明，当1s f <<时，有()B.E. F.D.M.B.ln .s s s sS S S k f f f ≈≈=−−∑解:我们先讨论理想费米系统的情形.根据8.1题式（8），理想费米系统的熵可以表示为()()()F.D.ln ln ln ln ln l l l l l l l l ll l l l l l l ll S k a a a a a a k a a ωωωωωωωω=−−−−⎡⎤⎣⎦⎡⎤−=−−+⎢⎥⎣⎦∑∑1491ln 1ln ,lll l l l l l l l a a a a k ωωωωω⎡⎤⎛⎞⎛⎞=−−−+⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎣⎦∑（1）式中l∑表示对粒子各能级求和.以ls la f ω=表示在能量为l ε的量子态s 上的平均粒子数，并将对能级l 求和改为对量子态s 求和，注意到~,l lsω∑∑上式可改写为()()F.D.ln 1ln 1.s s s s sS k f f f f =−+−−⎡⎤⎣⎦∑（2）由于1s f ≤，计及前面的负号，式（2）的两项都是非负的.对于理想玻色气体，通过类似的步骤可以证明()()F.D.ln 1ln 1.s s s s sS k f f f f =−−++⎡⎤⎣⎦∑（3）对于玻色系统0s f ≥，计及前面的负号，式（3）求和中第一项可以取负值，第二项是非负的.由于绝对数值上第二项大于第一项，熵不会取负值.在1s f <<的情形下，式（2）和式（3）中的()()()()1ln 11s s s s sf f f f f ±≈±≈−∓∓∓∓所以，在1s f <<的情形下，有()B.E. F.D.ln .s s s sS S k f f f ≈≈−−∑（4）注意到s sf N =∑，上式也可表示为B.E. F.D.ln .s s sS S k f f Nk ≈≈−+∑（5）上式与7.4题式（8）一致，这是理所当然的.8.3求弱简并理想费米（玻色）气体的压强和熵.解:式（8.2.8）已给出弱简并费米（玻色）气体的内能为32252311122π2N h U NkT g V mkT ⎡⎤⎛⎞⎢⎥=±⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎢⎥⎣⎦（1）（式中上面的符号适用于费米气体，下面的符号适用于玻色气体，下同）.利150用理想气体压强与内能的关系（见习题7.1）2,3Up V=（2）可直接求得弱简并气体的压强为32252111,2π2h p nkT n g mkT ⎡⎤⎛⎞⎢⎥=±⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎢⎥⎣⎦（3）式中Nn V=是粒子数密度.由式（1）可得弱简并气体的定容热容量为32272311,22π2V VU C T h Nk n mkT ∂⎛⎞=⎜⎟∂⎝⎠⎡⎤⎛⎞⎢⎥=⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎢⎥⎣⎦∓（4）参照热力学中的熵的积分表达式（2.4.5），可将熵表示为()0.VC S dT S V T=+∫（5）将式（4）代入，得弱简并气体的熵为()322072311ln .22π2hS Nk T Nk n S V g mkT ⎛⎞=±+⎜⎟⎝⎠（6）式中的函数()0S V 可通过下述条件确定：在322312πN hn V mkT λ⎛⎞=<<⎜⎟⎝⎠的极限条件下，弱简并气体趋于经典理想气体.将上述极限下的式（6）与式（7.6.2）比较（注意补上简并度g ），可确定()0S V ，从而得弱简并费米（玻色）气体的熵为332227222π511ln .22π2mkT hS Nk ng h g mkT ⎧⎫⎡⎤⎛⎞⎪⎪⎛⎞⎢⎥=+±⎨⎬⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎪⎪⎣⎦⎩⎭（7）弱简并气体的热力学函数也可以按照费米（玻色）统计的一般程序求得；先求出费米（玻色）理想气体巨配分函数的对数ln Ξ，然后根据式（8.1.6）、（8.1.8）和（8.1.10）求内能、压强和熵.在求巨配分函数的对数时可利用弱151简并条件作相应的近似.关于费米（玻色）理想气体巨配分函数的计算可参阅王竹溪《统计物理学导论》§65和§64.8.4试证明，在热力学极限下均匀的二维理想玻色气体不会发生玻色-受因斯坦凝聚.解:如§8.3所述，令玻色气体降温到某有限温度c T ，气体的化学势将趋于-0.在c T T <时将有宏观量级的粒子凝聚在0ε=的基态，称为玻色-爱因斯坦凝聚.临界温度c T 由条件()0d e1ckT D nεεε+∞=−∫（1）确定.将二维自由粒子的状态密度（习题6.3式（4））()222πd d L D m hεεε=代入式（1），得2202πd .e1ckT L m n h εε+∞=−∫（2）二维理想玻色气体的凝聚温度c T 由式（2）确定.令cx kT ε=，上式可改写为2202πd .e 1c x L x mkT n h +∞=−∫（3）在计算式（3）的积分时可将被积函数展开，有()()211e 1e e ,e 1e 1e x x xx x x−−−−==+++−−⋯则d 111e 123xx +∞=+++−∫⋯11.n n∞==∑（4）式（4）的级数是发散的，这意味着在有限温度下二维理想玻色气体的化学势不可能趋于零.换句话说，在有限温度下二维理想玻色气体不会发生玻色-爱152因斯坦凝聚.8.5约束在磁光陷阱中的原子，在三维谐振势场()22222212x y x V m x y z ωωω=++中运动.如果原子是玻色子，试证明：在c T T ≤时将有宏观量级的原子凝聚在能量为()02x y z εωωω=++ℏ的基态，在3,0,N N ωω→∞→保持有限的热力学极限下，临界温度c T 由下式确定：31.202,c kT N ω⎛⎞=×⎜⎟⎝⎠ℏ其中()13.x y z ωωωω=温度为T 时凝聚在基态的原子数0N 与总原子数N 之比为31.c N T N T ⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠解:约束在磁光陷阱中的原子，在三维谐振势场中运动，其能量可表达为222222222111,222222y x z x y z p p p m x m y m z m m m εωωω⎛⎞⎛⎞⎛⎞=+++++⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠（1）这是三维谐振子的能量（哈密顿量）.根据式（6.2.4），三维谐振子能量的可能值为,,111,222x y z n n n x x y y z z n n n εωωω⎛⎞⎛⎞⎛⎞=+++++⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠ℏℏℏ,,0,1,2,x y z n n n =⋯（2）如果原子是玻色子，根据玻色分布，温度为T 时处在量子态,,x y z n n n 上的粒子数为,,11112221.e1x y z x x y y z z n n n n n n kT a ωωωµ⎡⎤⎛⎞⎛⎞⎛⎞+++++−⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎝⎠⎣⎦=−ℏℏℏ（3）处在任一量子态上的粒子数均不应为负值，所以原子气体的化学势必低于最低能级的能量，即153()0.2x y z µεωωω<≡++ℏ（4）化学势µ由()01,,1e1x x y y z z x y zn n n n n n kT N ωωωεµ⎡⎤+++−⎣⎦=−∑ℏ（5）确定.化学势随温度降低而升高，当温度降到某临界值c T 时，µ将趋于0.ε临界温度c T 由下式确定：()1,,1e1x x y y z z x y zn n n n n n kT N ωωω⎡⎤++⎣⎦=−∑ℏ（6）或,,1,e1x y zx y zn n n n n n N ++=−∑（7）其中(),,.ii i cn n i x y z kT ω==ℏ在1ickT ω<<ℏ的情形下，可以将i n 看作连续变量而将式（7）的求和用积分代替.注意到在d d d x y z n n n 范围内，粒子可能的量子态数为3d d d ,c x y z kT n n n ω⎛⎞⎜⎟⎝⎠ℏ即有3d d d ,1x zy x y zc n n n kT n n n N eω++⎛⎞=⎜⎟⎝⎠−∫ℏ（8）式中()13.x y z ωωωω=为了计算式（8）中的积分，将式中的被积函数改写为()()()11e 1e 1eee.x y z x y z x y z x y zx y zn n n n n n n n n n n n l n n n l ++−++++∞−++−++==⎡⎤−−⎢⎥⎣⎦=∑积分等于154000030d d d e d e d e d e 111.202.y xz x y z x y z l n l n l n x y zn n n l l n n n n n n l ∞+∞+∞+∞−−−++=∞==−==∑∫∫∫∫∑所以式（8）给出13.1.202C N kT ω⎛⎞=⎜⎟⎝⎠ℏ（9）式（9）意味着，在,0N ω→∞→而3N ω保持有限的极限情形下，C kT 取有限值.上述极限称为该系统的热力学极限.在c T T <<时，凝聚在基态的粒子数0N 由下式确定：30 1.202,kT N N ω⎛⎞−=⎜⎟⎝⎠ℏ上式可改写为31.C N T N T ⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠（10）式（9）和式（10）是理想玻色气体的结果.实验上实现玻色凝聚的气体，原子之间存在弱相互作用，其特性与理想玻色气体有差异.互作用为斥力或吸力时气体的特性也不同.关于互作用玻色气体的凝聚可参阅Dalfovo et al.Rev.Mod.Phys.1999,71（465）.8.6承前8.5题，如果,z x y ωωω>>，则在z kT ω<<ℏ的情形下，原子在z 方向的运动将冻结在基态作零点振动，于是形成二维原子气体.试证明C T T <时原子的二维运动中将有宏观量级的原子凝聚在能量为()02x y εωω=+ℏ的基态，在2,0,N N ωω→∞→保持有限的热力学极限下，临界温度c T 由下式确定：21.645,C kT N ω⎛⎞=⎜⎟⎝⎠ℏ其中()12.x y ωωω=温度为T 时凝聚在基态的原子数0N 与总原子数N 之比为21.C N T N T ⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠155解:在,z x y ωωω>>的情形下，原子z 方向的运动将冻结在基态作零点振动，于是形成二维原子气体.与8.5题相似，在c T T <时将有宏观量级的原子凝聚在能量为()02x y εωω=+ℏ的基态.临界温度c T 由下式确定：2d de 1x y x y C n n kT n n N ω+∞+⎛⎞=⎜⎟−⎝⎠∫ℏ21.645,C kT ω⎛⎞=⎜⎟⎝⎠ℏ（1）其中()12,x y ωωω=201d d 11.645.e 1x yx y n n l n n l∞+∞+===−∑∫（2）在,0N ω→∞→而N ω保持有限的热力学极限下c kT 为有限值，有12.1.645C N kT ω⎛⎞=⎜⎟⎝⎠ℏ（3）C T T ≤时凝聚在基态的原子数0N 与总原子数N 之比由下式确定：20 1.645,kT N N ω⎛⎞−=⎜⎟⎝⎠ℏ或21.C N T N T ⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠（4）低维理想玻色气体玻色凝聚的理论分析可参看8.5题所引Dalfovo et al及其所引文献.低维玻色凝聚已在实验上得到实现，见Gorlirż̇et al.Phys.Rev.Lett.2001,87（130402）.8.7计算温度为T 时，在体积V 内光子气体的平均总光子数，并据此估算（a）温度为1000K 的平衡辐射.（b）温度为3K 的宇宙背景辐射中光子的数密度.解:式（8.4.5）和（8.4.6）已给出在体积V 内，在ω到d ωω+的圆频率范围内光子的量子态数为156()223d d .πV D c ωωωω=（1）温度为T 时平均光子数为()()d ,d .e1kTD N T ωωωωω=−ℏ（2）因此温度为T 时，在体积V 内光子气体的平均光子数为()223d .πe1kTVN T cωωω+∞=−∫ℏ（3）引入变量x kTω=ℏ，上式可表示为()3223033233d πe 12.404.πx V kT x x N T c k VT c +∞⎛⎞=⎜⎟−⎝⎠=∫ℏℏ或()332332.404.πk n T T c =ℏ（3）在1000K 下，有163210.n m −≈×在3K 下，有835.510.n m −≈×8.8试根据普朗克公式证明平衡辐射内能密度按波长的分布为()58πd ,d ,e1hc kThc u T λλλλλ=−并据此证明，使辐射内能密度取极大的波长m λ满足方程m hc x kT λ⎛⎞=⎜⎟⎝⎠5 5.x e x −+=这个方程的数值解为 4.9651.x =因此,4.9651m hcT kλ=m λ随温度增加向短波方向移动.157解:式（8.4.7）给出平衡辐射内能按圆频率的分布为()3231,d d .πe 1kTu T c ωωωωω==−ℏℏ（1）根据圆频率与波长熟知的关系2cπωλ=，有22πd d .c ωλλ=（2）如果将式（1）改写为内能按波长的分布，可得()58πd ,d .e1hc kThc u T λλλλλ=−−（3）令hcx kTλ=，使(),u T λ取极大的波长m λ由下式确定：5d 0.d e 1x x x ⎛⎞=⎜⎟−⎝⎠（4）由式（4）易得55e .x x −−=（5）这方程可以用数值方法或图解方法求解.图解方法如下：以x 为横坐标，y 为纵坐标，画出两条曲线1e ,,5x y x y −=−=如图所示.两条曲线的交点就是方程（5）的解，其数值约为4.96.精确的数值解给出 4.9651.x =所以使(),u T λ为极大的m λ满足4.9651m hc T kλ=15832.89810m K.−=×⋅（6）右方是常量，说明m λ随温度的增加向短波方向移动，称为维恩位移定律.值得注意，式（6）确定的使(),u T λ为极大的m λ与式（8.4.11）给出的使(),u T ω为极大的m ω并不相同.原因是(),u T λ是单位波长间隔的内能密度，(),u T ω是单位频率间隔的内能密度.m λ与m ω分别由5d 0d e 1x x x ⎛⎞=⎜⎟−⎝⎠（4）和3d 0d e 1x x x ⎛⎞=⎜⎟−⎝⎠（7）确定，其中.hcx kT kTωλ==ℏ由这两个方程解得m x 显然不同.8.9按波长分布太阳辐射能的极大值在480nm λ≈处，假设太阳是黑体，求太阳表面的温度.解:由上题式（6）知32.89810m K.m T λ−=×⋅假设太阳是黑体，太阳表面温度的近似值为392.89810K 6000K.48010T −−×==×8.10试根据热力学公式d VC S T T=∫及光子气体的热容量求光子气体的熵.解:式（8.4.10）给出光子气体的内能为24433π.15k U VT c =ℏ（1）由此易得其定容热容量为159243334π15V V U k C VT T c ∂⎛⎞==⎜⎟∂⎝⎠ℏ（2）根据热力学关于均匀系统熵的积分表达式（2.4.5），有0d d ,V V C p S T V S T T ⎡⎤∂⎛⎞=++⎜⎟⎢⎥∂⎝⎠⎣⎦∫（3）积分沿任意一条积分路线进行.如果取积分路线为由（0，V ）到（T ，V ）的直线，即有24242333334π4πd ,1545Tk k V S T T T c c ==∫ℏℏ（4）其中已取积分常量0S 为零.如果取其他积分路线，例如由（0，0）至（T ，V ）的直线，结果如何？8.11试计算平衡辐射中单位时间碰到单位面积器壁上的光子所携带的能量，由此即得平衡辐射的通量密度.u J 计算6000K 和1000K 时u J 的值.解:根据式（8.4.3）和（6.2.15），在单位体积内，动量大小在p 到d p p +，动量方向在θ到d ,θθϕ+到d ϕϕ+范围内，平衡辐射的光子数为232sin d d d ,e 1cp p p h βθθϕ−（1）其中已利用式（8.4.2）将动量为p 的光子能量表示为cp ，因子2是计及光子自旋在动量方向的两个可能投影而引入的.以d A 表示法线方向沿z 轴的器壁的面积元.以d d d ΓA t 表示在d t 时间内碰到d A 面积上，动量大小在p 到d p p +，方向在θ到d ,θθϕ+到d ϕϕ+范围的光子数.它等于以d A 为底，以cos d c t θ为高，动量在d d d p θϕ范围内的光子数.因此单位时间（d 1t =）内，碰到单位面积()d 1A =的器壁上（或穿过单位面积），动量在d d d p θϕ范围内的光子所携带的能量为232sin d d d cos .e 1cpp p c cp h βθθϕθ⋅⋅−（2）对式（2）积分，p 从0到,θ+∞从0到π,2ϕ从0到2π，即得到辐射动量密度u J 为160π232π2300023302d sin cos d d e 12πd .e 1u cp cp c p pJ h c p p h ββθθθϕ+∞+∞=⋅⋅−=−∫∫∫∫令x cp β=，上式可表示为4233042432π1d e 12ππ6,90u x c x xJ h c c kT h c β+∞⎛⎞=⋅⎜⎟−⎝⎠⎛⎞=⋅⋅⎜⎟⎝⎠∫或24423π.60u k J T c =ℏ（3）在6000K ，有727.1410J m ;u J −=×⋅在1000K ，有520.5510J m .u J −=×⋅8.12室温下某金属中自由电子气体的数密度283610m ,n −=×某半导体中导电电子的数密度为28310m n −=，试验证这两种电子气体是否为简并气体.解:根据§8.5，在e 1α>>，即31n λ<<的情形下费米气体满足非简并性条件，遵从玻耳兹曼分布；反之，在e 1α<<，即31n λ>>的情形下，气体形成强简并的费米气体.3223,2πh n n mkT λ⎛⎞=⎜⎟⎝⎠（1）将283300,610m T K n −==×代入，得33101,n λ≈>>（2）说明该金属中的自由电子形成强简并的费米气体.将203300K,10m T n −==代入，得35101,n λ−≈<<所以该半导体中的导电电子是非简并气体，可以用玻耳兹曼统计讨论.161金属中自由电子数密度的估计见§8.5，半导体中导电电子数密度的估计请参阅补充题3.8.13银的导电电子数密度为28 3.5.910m −×试求0K 时电子气体的费米能量、费米速率和简并压.解:根据式（8.5.6）和（8.5.8），0K 下金属中自由电子气体的费米能量（电子的最大能量）、费米速率（电子的最大速率）和电子气体的压强取决于电子气体的密度n .式（8.5.6）给出()()222303π.2n mµ=ℏ（1）将31342839.110kg, 1.0510J s, 5.910m m n −−−=×=×⋅=×ℏ代入，即得()1800.87610J 5.6eV.µ−=×=（2）费米速率F υ等于61F 1.410m s .υ−==×⋅（3）式（8.5.8）给出0K 下电子气体的压强为()()10200 2.110Pa.5p n µ=≈×（4）8.14试求绝对零度下自由电子气体中电子的平均速率.解:根据式（8.5.4），绝对零度下自由电子气体中电子动量（大小）的分布为F 1,,f p p =≤F 0,,f p p =>（1）其中F p 是费米动量，即0K 时电子的最大动量.据此，电子的平均动量为FF34F 30F 23F38π1d 34.8π14d 3p p Vp pp h p p V p p p h ===∫∫（2）因此电子的平均速率为162F F 33.44p p υυm m ===（3）8.15试证明，在绝对零度下自由电子的碰壁数可表示为1,4nυΓ=其中Nn V=是电子的数密度，υ是平均速率.解:绝对零度下电子速率分布为F F 1,,0,,f υυf υυ=≤=>（1）式中F υ是0K 时电子的最大速率，即费米速率.单位体积中速率在dυd d θϕ间隔的电子数为()32F 32sin d d d .m υυυυhθθϕ≤（2）单位时间内上述速度间隔的电子碰到法线沿z 轴的单位面积器壁上的碰撞数为3232cos sin d d d .m d υυυhΓθθθϕ=⋅（3）将上式积分，υ从0到F ,υθ从0到π,2ϕ从0到2π，得0K 时电子气体的碰壁数为F π32π32300034F 32d sin cos d d 211242υm υυh m υh Γθθθϕπ==⋅⋅⋅∫∫∫34F3π.2m υh=（4）但由式（2）知单位体积内的电子数n 为163F 3π2π2300033F 32d sin d d 2122π3υm υυh m υh Γθθϕ==⋅⋅⋅∫∫∫33F 38.3m υh π=（5）所以F 31.444n υnυΓ=⋅=最后一步用了8.14题式（3）.8.16已知声速a = 1.8.8）），试证明在0K理想费米气体中a =解:式（1.8.8）已给出声速a为a =，（1）式中的偏导数是熵保持不变条件下的偏导数.根据能氏定理，0K 下物质系统的熵是一个绝对常数，因此0K 下物理量的函数关系满足熵为不变的条件.根据式（8.5.8）和（8.5.6），0K 下理想费米气体的压强为()()()22523220523π52p n n mµ==ℏ()()22523353213π.52m mρ=ℏ（2）故()2222F32213π,323Sp p n m m m ρ⎛⎞∂==⎜⎟∂⎝⎠ℏ即164a ==（3）8.17等温压缩系数T κ和绝热压缩系数S κ的定义分别为1T Tp V κρ⎛⎞∂=−⎜⎟∂⎝⎠和1.S Sp V κρ⎛⎞∂=−⎜⎟∂⎝⎠试证明，对于0K 的理想费米气体，有()()()3100.20T S n κκµ==解:根据式（8.5.6）和（8.5.4），0K 下理想费米气体的压强为()()5223232203π.552N p n mV µ⎛⎞==⎜⎟⎝⎠ℏ（1）在温度保持为0K 的条件下，p 对V 的偏导数等于()2223223π.32T p N V m V ∂⎛⎞⎛⎞=−⎜⎟⎜⎟∂⎝⎠⎝⎠ℏ由式（A.5）知()()222232313.23π2T TV V p p N N V m V −⎛⎞∂==⎜⎟∂∂⎛⎞⎝⎠⎛⎞⎜⎟∂⎜⎟⎝⎠⎝⎠ℏ（2）所以0K 下()()5223231331.2203π2T T V V V p n N m V κµ⎛⎞∂=−==⎜⎟∂⎝⎠⎛⎞⎜⎟⎝⎠ℏ（3）根据能氏定理，T =0的等温线与S =0的等熵线是重合的，因此0K 下.T SV V p p ⎛⎞⎛⎞∂∂=⎜⎟⎜⎟∂∂⎝⎠⎝⎠由此可知165()131.20S S V V p n κµ⎛⎞∂=−=⎜⎟∂⎝⎠（4）式（4）也可以从另一角度理解.式（2.2.14）和（2.2.12）给出s VT pC C κκ=（5）和2.p V TVT C C ακ−=（6）由式（6）知，0K 下,p V C C =所以式（5）给出0K 下.S T κκ8.18试求在极端相对论条件下自由电子气体在0K 时的费米能量、内能和简并压.解:极端相对论条件下，粒子的能量动量关系为.cp ε=根据习题6.4式（2），在体积V 内，在ε到d εε+的能量范围内，极端相对论粒子的量子态数为()()238πd d .VD ch εεεε=（1）式中已考虑到电子自旋在动量方向的两个可能投影而将习题6.4式（2）的结果乘以因子2.0K 下自由电子气体的分布为()()()1,0;0,0.f µµεµµ≤⎧⎪=⎨>⎪⎩（2）费米能量()0µ由下式确定：()()()()023338π8π1d 0,3VV N ch ch µεεµ==⋅∫故166()1330.8n ch µπ⎛⎞=⎜⎟⎝⎠（3）0K 下电子气体的内能为()()()()()()0003343d 8πd 8π104U D Vch V ch µµεεεεεµ===⋅∫∫()30.4N µ=（4）根据习题7.2式（4），电子气体的压强为()110.34U p n V µ==（5）8.19假设自由电子在二维平面上运动，面密度为.n 试求0K 时二维电子气体的费米能量、内能和简并压.解:根据6.3题式（4），在面积A 内，在ε到d εε+的能量范围内，二维自由电子的量子态数为()24d d .AD m h πεεε=（1）式中已考虑到电子自旋在动量方向的两个可能投影而将6.3题式（4）的结果乘以2.0K 下自由电子的分布为()()()1,0;0,0.f µµεµµ≤⎧⎪=⎨>⎪⎩（2）费米能量()0µ由下式确定：()()02204π4πd 0,A A N m m h hµεµ==∫即()220.4π4πh N h m A mµ==（3）0K 下二维自由电子气体的内能为()()()022204π4πd 00.22A A m NU m h h µεεµµ===∫（4）167仿照习题7.1可以证明，对于二维的非相对论粒子，气体压强与内能的关系为.Up A=（5）因此0K 下二维自由电子气体的压强为()10.2p n µ=（6）8.20已知0K 时铜中自由电子气体的化学势()07.04eV,µ=试求300K 时的一级修正值.解:根据式（8.5.17），温度为T 时金属中自由电子气体的化学势为()()()22π01,120kT T µµµ⎡⎤⎛⎞⎢⎥=−⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦300K 下化学势()T µ对()0µ的一级修正为()()()22350 1.121001207.8810eV.kT πµµµ−⎡⎤−=−×⎢⎥⎣⎦=−×这数值很小，不过值得注意，它是负的，这意味着金属中自由电子气体的化学势随温度升高而减小.这一点可以从下图直接看出.图中画出了在不同温度下电子分布函数()f ε随ε的变化.0K 时电子占据了能量ε从零到()0µ的每一个量子态，而()0εµ>的状态则全部未被占据，如图中的0T 线所示.温度升高时热激发使一些电子从能量低于µ的状态跃迁到能量高于µ的状态.温度愈高，热激发的电子愈多，如图中的1T 线和2T 线所示()12.T T <费米分布1e 1hTf εµ−=+168要求在任何温度下εµ=的状态12f =，即占据概率为1.2从图8-2可以看出，化学势µ必然随温度升高而减少，即()210.µµµ<<8.21试根据热力学公式VC S dT T=∫，求低温下金属中自由电子气体的熵.解:式（8.5.19）给出低温下金属中自由电子气体的定容热容量为()2π.20V kTC Nk µ=（1）根据热力学关于均匀系统熵的积分表达式（2.4.5），有0d d .V V C p S T V S T T ⎡⎤∂⎛⎞=++⎜⎟⎢⎥∂⎝⎠⎣⎦∫（2）取积分路线为（0，V ）至（T ，V ）的直线，即有()()2220ππd ,2020T Nk kTS T Nk µµ==∫（3）其中已取积分常量0S 为零.8.22由N 个自旋极化的粒子组成的理想费米气体处在径向频率为r ω，轴向频率为r λω的磁光陷阱内，粒子的能量（哈密顿量）为()()222222221.22x y z r m p p p x y z m εωλ=+++++试求0K 时费米气体的化学势（以费米温度表示）和粒子的平均能量.假设5-1210,3800s ,8r N ωλ===，求出数值结果.解:由式（6.2.4）知，粒子的能量本征值为(),,,x y z n n n r x y z n n n εωλ=++ℏ,,0,1,2,x y z n n n =⋯（1）式中已将能量零点取为1.2r λω⎛⎞+⎜⎟⎝⎠ℏ理想费米气体的化学势(),T N µ由下式确定：169(),,1.e1r x y z x y zn n n n n n N βωλµ⎡⎤++−⎣⎦=+∑ℏ（2）如果N 足够大使大量粒子处在高激发能级，粒子的平均能量远大于r ωℏ，或者温度足够高使r kT ω>>ℏ，式（2）的求和可以改写为对能量的积分.令,,,d ,d ,d ,x x r y y r z z r x r y r z r n n n εωεωελωεωεωελω======ℏℏℏℏℏℏ式（2）可表达为()()3d d d 1.e 1x y z x y zrN βεεεµεεελω+++=+∫ℏ（3）引入新的积分变量x y z εεεε=++，可进一步将式（2）改写为()()31d d d ,e 1xyrN βεµεεελω−=+∫∫∫ℏ（4）式中被积函数只是变量ε的函数，与x ε和y ε无关.对一定的ε，d x ε和d y ε的积分等于以x ε轴、y ε轴和x y εεε+=三条直线为边界的三角形面积，如图所示，这面积等于21.2ε所以式（4）可表达为()()d ,1D N eβεµεε−=+∫（5）其中()()231d d .2r D εεεελω=ℏ（6）它是能量在ε到d εε+范围内粒子的状态数.0K 时系统尽可能处在能量最低的状态.由于泡利原理的限制，粒子将从170能量为零的状态开始，每一量子态填充一个粒子，到能量为()0µ的状态止.()0µ由下式确定：()()()()30233011d .322rr N µµεελωλω==∫ℏℏ由此可得()()1306.r N µωλ=ℏ（7）0K 时费米气体的能量为()()()()()()0003343d 1d 20142rr E D µµεεεεελωµλω===∫∫ℏℏ()30.4N µ=（8）粒子的平均能量为()30.4εµ=（9）对于题给的数据，可得30nK,r ω=ℏ()0 3.5μK,F T k µ==2.7μK.Ek=8.23承上题，试求低温极限F T T <<和高温极限F T T >>下，磁光陷阱中理想费米气体的化学势、内能和热容量.解:首先讨论低温极限F T T <<的情形.根据式（8.5.13）和（8.5.16）,积分()0d ,e1kTI εµηεε+∞−=+∫（1）在低温极限下可展开为171()()()220πd 6I kT µηεεηµ′=++∫⋯（2）对于磁光陷阱中的理想费米气体，有20d ,e1kTc N εµεε+∞−=+∫（3）其中()31.2r c λω=ℏ上式确定费米气体的化学势.利用式（1），（2）可得2321π,3c kT N µµ⎡⎤⎛⎞=+⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎢⎥⎣⎦因此11233231πN kT c µµ−⎡⎤⎛⎞⎛⎞=+⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎢⎥⎣⎦()()22π01.30kT µµ⎧⎫⎡⎤⎪⎪≈−⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎪⎪⎩⎭（4）气体的内能为30d ,1kTc U eεµεε+∞−=+∫利用式（1），（2）可得()()()()()()24242224242224212π4π0112π430034π0112π4300C kT U C kT kT kT kT N µµµµµµµµ⎡⎤⎛⎞=+⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎢⎥⎣⎦⎧⎫⎧⎫⎡⎤⎡⎤⎪⎪⎪⎪≈−⋅+⎨⎬⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎩⎭⎧⎫⎧⎫⎡⎤⎡⎤⎪⎪⎪⎪≈−⋅+⎨⎬⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎩⎭()()223201π.430kT N µµ⎧⎫⎡⎤⎪⎪≈+⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎪⎪⎩⎭（5）热容量为()2d π.d 0U kTC Nk T µ==（6）172在高温极限F T T >>的情形下，有F e ee1.T kTTµα−−=≈≈（7）磁光陷阱内的费米气体是非简并的，遵从玻耳兹曼分布.按照玻耳兹曼统计求热力学函数的一般程序，先求粒子配分函数()()1023e d 1e d 2rZ D βεβεεεεελω+∞−+∞−==∫∫ℏ()3312.2r βλω=ℏ（8）内能为1ln 3.U NZ NkT β∂=−=∂（9）上式与能量均分定理的结果相符.根据式（7.6.7），气体的化学势为()31Z ln ln 6.0kT kT kT N µµ⎧⎫⎡⎤⎪⎪=−=−⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎪⎪⎩⎭（10）最后一步用了式（8）和补充题4式（7）.实验已观察到处在磁光陷阱内的费米气体在温度低于费米温度时所显示的费米简并性和费米压强.见B.DeMarco,D.S.Jin.Science.1999,285(1703).A.G.Truscott et al.Science.2001,191(2570).8.24关于原子核半径R 的经验公式给出()151/31.310m ,R A −=×⋅式中A 是原子核所含核子数.假设质子数和中子数相等，均为A /2，试计算二者在核内的密度.n 如果将核内的质子和中子看作简并费米气体，试求二者的()0µ以及核子在核内的平均能量.核子质量271.6710kg.n m −=×解:根据核半径的经验公式()11531.310m ,R A −=×⋅173假设核内质子数和中子数相等，均为2A ，则二者的密度均为()45-31520.0510m .4π1.310m 3A n A −=≈××⋅如果将核内的质子和中子看作简并费米气体，根据式（8.5.6），费米能量()0µ为()()22231103π20.4310J 27MeV.n mµ−==×≈ℏ由式（8.5.7）知，核子在核内的平均能量为()113050.2610J 16MeV.εµ−==×≈核的费米气体模型是20世纪30年代提出的核模型.它在定性描述原子核的粗略性质方面取得了一定的成功.核的费米气体模型把核子看作是约束在核内的无相互作用的自由粒子.从核子散射实验知道，核子之间存在很强的相互作用，其中包含非常强的排斥心.将核子看作核内无相互作用的自由粒子，可以这样理解：排斥心的半径约为150.410m −×，核内核子之间的平均距离约为152.410m −×，因此原子核的“最密集”体积与实际体积之比约为30.412.4100⎛⎞≈⎜⎟⎝⎠，这样核子实际上感受到的只是相互作用中较弱的“尾巴”部分.其次，由于泡利原理的限制，大多数核子（特别是处在费米面深处低能态的粒子）发生碰撞时，其状态很难发生改变，仅在费米面附近的少数核子有可能在碰撞时改变其状态.作为一个初步近似，费米气体模型忽略了核子之间的相互作用.8.253He 是费米子，其自旋为1/2在液3He 中原子有很强的相互作用.根据朗道的正常费米液体理论，可以将液3He 看作是由与原子数目相同的3He 准粒子构成的费米液体.已知液3He 的密度为-381kg m ⋅，在0.1K 以下的定容热容量为 2.89.V C NkT =试估算3He 准粒子的有效质量*.m174解:我们首先粗略地介绍一下朗道费米液体理论的有关概念.如§8.5所述，在0K 理想费米气体处在基态时，粒子占满了动量空间中半径为费米动量F p 的费米球：()123F 3π,p n =ℏ（1）F p p >的状态则完全未被占据.气体处在低激发态时，有少量粒子跃造到F p p >的状态，而在费米球中留下空穴.F p 的大小取决于气体的数密度.n 朗道假设，如果在理想费米气体中逐渐加入粒子间的相互作用，理想费米气体将过渡为费米液体，气体的粒子过渡为液体的准粒子.液体中的准粒子数与原来气体或液体中的实际粒子数相同.对于均匀系统，准粒子的状态仍可由动量p 和自旋S 描述.在0K 费米液体处在基态时，准粒子占满了动量空间中半径为F p 的费米球，F p 仍由式（1）确定，但n 是液体的粒子数密度.费米液体处在低激发态时，有少量准粒子跃迁到F p p >的状态，而在费米球中留下空穴.以()d f p ω表示单位体积中动量在p 到d p p +的准粒子数.在自旋量子数为1/2的情形下，有32d d .phω=()f p 满足归一化条件()d .f p n ω=∫（2）由于费米液体的准粒子之间存在相互作用，单个粒子的能量()p ε与其他准粒子所处的状态有关，即与准粒子的分布有关.因此，与理想费米气体不同，费米液体的能量不能表达为单个准粒子的能量之和，即()()d ,Ep f p V εω≠∫（3）而是分布函数()f p 的泛函.准粒子能量()p ε由下式定义：()()δδd ,Ep f p V εω=∫（4）或()()δ.δE V p f p ε⎛⎞∂⎜⎟⎝⎠=∂⎡⎤⎣⎦（5）上式的意义是，准粒子能量()p ε等于增加一个动量为p 的粒子所引起的系统能175量的增加.()p ε既与液体中准粒子的分布有关，也是分布函数()f p 的泛函.习题8.2曾得到处在平衡状态的理想费米气体的熵的表达式()()()(){}ln 1ln 1d ,S kV f p f p f p f p ω=−+−−⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦∫（6）式中的两项可以分别理解为由于粒子具有分布()f p 和空穴具有分布()1f p −所导致的熵.式（6）不仅适用于平衡态，也适用于非平衡态.如果()f p 是某非平衡态下粒子的分布，相应的熵也由式（6）表达.在总粒子数、总能量和体积给定的情形下，平衡态的分布（费米分布）使式（6）的熵取最大值.根据前述朗道的假设，费米液体的准粒子与理想费米气体的粒子存在一一对应的关系.将式（6）中的()f p 理解为费米液体中准粒子的分布，费米液体的熵亦可由式（6）表达.在总粒子数、总能量和体积给定的情形下，平衡态的分布使式（6）的熵取最大值.可以证明，平衡态的分布具有下述形式：()()1.e1p kTf p εµ−=+（7）这是平衡态下费米液体中准粒子的分布函数，1kT 和kTµ是拉氏乘子.显然，T 和µ分别是费米液体的温度和化学势.需要强调，虽然式（7）形式上与费米分布相似，但由于()p ε是分布函数()f p 的泛函，式（7）实际上是分布函数()f p 的一个复杂的隐函数表达式.以()()()()00,f p p ε和()0µ分别表示0K 时的分布函数、准粒子能量和化学势.由式（7）可知，()()0f p 是一个阶跃函数：()()()()()()()()0001,0;0,0.p fp p εµεµ⎧≤⎪=⎨>⎪⎩（8）上式给出0K 时费米液体准粒子的动量分布，与前述的图像一致.在接近0K 的低温下，分布函数应与阶跃分布()()0f p 接近.作为一级近似，可以用()()0f p 近似地确定准粒子的能量().p ε这意味着()p ε简单地成为p 的确定的函数()()0.p ε对于F p p ≈的动量值，可以将函数()()0p ε按F p p −作泰勒展开，即()()()()0F F 0,p υp p εµ−=−（9）其中()()F 0F p p υp ε⎡⎤∂=⎢⎥∂⎢⎥⎣⎦（10）176是准粒子在费米面的速度.对于理想费米气体，有()2F F ,.2pp p υm mε==可以类似地引入准粒子有效质量*m 的概念，定义*FF,p m υ=（11）并将()0µ和F ~p p 处的()()0p ε简单地记为()2F*0,2p mµ=（12）()()()20F *.2p p p p mε=≈（13）如§8.5所述，仅费米面附近的电子对理想费米气体的低温热容量有贡献，其表达式为（式（8.5.19）和（8.5.6））()()222223ππ.203πV C kT mkTNk n µ==ℏ（14）根据费米液体与理想费米气体的相似性，可以直接写出低温下费米液体的热容量为()()22*2223ππ,203πV C kT m kT Nk n µ==ℏ（15）其中*m 是费米液体准粒子的有效质量.将题中所给液3He 的实测数据代入，注意3He 的质量密度nm ρ=（m 是3He 原子的质量），可得3He 准粒子的有效质量约为*3.m m ≈（16）关于朗道费米液体理论，可参看《量子统计物理学》（北京大学编写组）§5.5和Lifshitz,Pitaevskii.Statistical Physics Ⅱ.§1,§2.177补充题1写出二维空间中平衡辐射的普朗克公式，并据此求平均总光子数、内能和辐射通量密度.解:根据（6.2.14），二维空间中在面积A 内，在x p 到d ,x x y p p p +到d y yp p +的动量范围内，光子可能的量子态数为22d d .x yA p p h（1）换到平面极坐标，并对辐角积分，可得在面积A 内，动量大小在p 到d p p +范围内，光子的量子态数为24πd .Ap p h（2）再利用光子的能量动量关系cp ε=和能量频率关系εω=ℏ，可得二维空间中在面积A 内，在ω到d ωω+的频率范围内的光子的量子态数为()2d d .AD cωωωωπ=（3）根据玻色分布和式（3），可得温度为T 时二维平衡辐射在面积A 内，在ω到d ωω+的频率范围内的光子数为()2,d d .πe 1A N T c βωωωωω=−ℏ（4）对频率积分，得温度为T 时二维平衡辐射击的总光子数为()()02220,d d πe 11d πe 1x N T N T A cA x x c βωωωωωβ+∞+∞+∞==−⎛⎞=⎜⎟−⎝⎠∫∫∫ℏℏ2222π.6A k T c =ℏ（5）温度为T 时在面积A 内，在ω到d ωω+的频率范围内，二维平衡辐射的能量为()22,d d .πe 1A u T c βωωωωω=−ℏℏ（6）这是二维平衡辐射的普朗克公式.对频率积分，得温度为T 时二维辐射场的内能为178()223220d πe 11d πe 1x Au T cA x x c βωωωβ+∞+∞=−⎛⎞=⎜⎟−⎝⎠∫∫ℏℏℏℏ33222.404.πA k T c =ℏ（7）参照式（2.6.7）或8.11题，可得二维辐射场的辐射通量密度u J 与内能密度的关系为33221.202.2πu c J u k T c π==ℏ（8）应当说明，随着人工微结构材料研究的进展，目前已有可能研制出低维的光学微腔.（参阅E.Yablonovitch.Jour.Mod·Opt.1994,41（173）.章蓓.光学微腔.见：介观物理.北京：北京大学出版社，1995.276）.不过光学微腔中辐射场的模式分布与（3）所表达的自由空间中的模式分布是不同的.补充题2金属中的自由电子在外磁场下显示微弱的顺磁性.这是泡利（Pauli ）根据费米分布首先从理论上预言的，称为泡利顺磁性.试根据费米分布导出0K 金属中自由电子的磁化率.解:§7.8和习题7.27讨论的顺磁性固体，其顺磁性来自磁性离子的磁矩在外磁场作用下的取向.离子磁矩是其不满壳层的束缚电子的轨道磁矩与自旋磁矩之和，磁性离子是定域的，遵从玻耳兹曼分布。
第八章 波色统计和费米统计
必有可观数目粒子出现在零能
级。 ——玻色—爱因斯坦凝聚。
热统
22
Tc
2
(2.612)2/ 3
2 mk
n2/ 3
因此，为了容易实现玻色－爱因斯坦 凝聚，需要提高临界温度。 为此，要提高气体密度，减小气体粒 子质量。
二、热力学量 T<T c时
n
2
h3
(2m)3/ 2
0
1/ 2d
e kT 1
热统
25
§8.4 光子气体
一、光子气体特性
光子——辐射场能量的量子化，自旋 1－玻色子。 平衡辐射场中，光子数不守恒。
空窖壁不断吸收和发射光子，保持能量守恒，但光子能量 有高有低，发射光子平均能量高发射光子数目少，被吸收的 光子平均能量低，被吸收的光子数目就多，因此不要求光子 数守恒。
光子气体服从玻色分布
l
l
l
S k(ln U N )
？ k ln F.D k( l lnl al lnal (l al ) ln(l al ))
l
l
l
热统
11
al
l
e l
1
e l l al
al
l
ln l al
al
1 e l l l al
ln l ln(1 e l )
l
l
ln
0
N
g(
2m kT
h2
)3
/
2Ve
(1
1 23/ 2
e )
热统
14
内能
U D( )a( ) d 0
3 2
g
(
2mk
h2
T
)3
/
玻色统计和费米统计
x
dx
=
1
3
22
∞
x
1 2
e−
x
dx
=
0
1
3
22
Γ
⎛ ⎜⎝
3 2
⎞ ⎟⎠
=
π
5
22
,
∴N
=
g
2πV h3
( 2mkT
)3 2
⎛ ⎜⎜⎝
π 2
e−α
∓
π
5
22
e−2α
⎞ ⎟⎟⎠
=
g
⎛ ⎜⎝
2π mkT h2
3
⎞2 ⎟⎠
Ve−α
⎛ ⎜1
∓
⎝
1
3
22
e−α
⎞ ⎟ ⎠
（*）
∫ ( ) ( ) U
=
g
2πV h3
1 ∓ e−α −βεl ∓ωl = ∓ ωl ln 1 ∓ e−α −βεl = ∓ ln 1 ∓ e−α −βεs
F.
l
l
s
−玻色 ＋费米
然后由上面的公式求出热力学量。
N B.
=
−
∂ ∂α
ln Ξ B.
，U B.
=
−
∂ ∂β
ln Ξ B.
，
F.
F.
F.
F.
YiB.
F.
=
−
1 β
⋅
∂ ∂yi
ln ΞB. ，
4
1 2
e−α
⎞ ⎟⎠
⎜⎝⎛1 ±
2
1 2
e−α
⎞ ⎟⎠
22
≈ 1± 1 e−α ∓ 1 e−α = 1± 1 e−α
22
第8章 费米统计
e
l
l
1
l e
1 e
l
l
N al
l l
l e
l l
1 e
l [l ln(1 e )] l
l
ln l ln(1 e
l
)
N ln
l
k [(l al ) ln( al ) l ln l al ln al ]
l
（8.1.9）
将（8.1.9）与（6.7.4 P185）比较，可得玻耳兹曼关系
S k ln
第八章 玻色统计与费米统计 13
巨热力学势
ln 是以，，（对简单系统即 y , T ,V）为 自然变量的特性函数.
l l
第八章 玻色统计与费米统计
l ( l )
e
l
1
12
k [l ln l l ln( al )] k al ( l )
l l
k [l ln l l ln( al ) al ln(l al ) al ln al ]
ln ln d ln d ( ) d ( )
ln ln d (ln )
表明β是积分因子.
第八章 玻色统计与费米统计 9
根据开系的基本热力学方程(3.2.9)
dU Tds Ydy dN
比较下式
第八章 玻色统计与费米统计 8
利用
1 U ln Y ln N ln y
ln ln ln (dU Ydy dN ) d ( ) dy d ( ) y
热力学与统计物理学第八章__玻色统计和费米统计
§8.1 热力学的统计表达式 §8.2 弱简并玻色气体和费米气体 §8.3 玻色—爱因斯坦凝聚 §8.4 光子气体 §8.5 金属中的自由电子气体
1
§8.1 热力学的统计表达式
经典极限条件
e 1
e
Z1 N
V N
2m h2
3
2
1
V
1 3
h
1
1 2
N
2mkT
n3 1
又 d ln ln d ln d ln dy
y
dU
Ydy
dN
d
ln
ln y
dy
d
ln
d
ln
d
ln
ln
d
d
ln
ln
d
d
ln
ln
ln
6
dS
kd
ln
ln
ln
积分
S
k
ln
ln
ln
S kln N U k ln
S k ln
ln
ln
如果求得巨配分 函数，据此可以 求得系统内能、 物态方程和熵。 从而确定系统的 全部平衡性质。
巨配分函数是以 , , y 为自然变量的特性函数。
对简单系统就是 T ,V ,
热力学中巨热力学势是以 T ,V , 为自然变量的
特性函数：
J U TS N kT ln 9
§8.2 弱简并理想玻色气体和费米气体
存在 n 个能量为 的光子
31
玻色分布给出在温度为 T 的平衡状态下 n
的平均值： n 1 e kT 1
从粒子观点看， n 是平均光子数；
热力学统计物理第八章
d
ln y
dy
d
ln
ln
d
d
ln
d
ln
d
ln
d(ln ln ln )
是 dU Ydy dN 的积分因子。
1
对于开系： dU Ydy dN ， 存在积分因子 T
1 (dU Ydy dN ) dS
T
比较可知： 1
kT
kT
因此：dS kd(ln ln ln )
d ,
h3
e 1 x
0
U
g
2V
(2mkT )3/2 kT
x3/2
d ,
h3
e 1 0 x
1
1
e (1 e ) x
x
e 1 e (1 e ) x
x
x
e x是小量。
利用： 1 1 q q2
1 q
（ q 是小量）
N
g
2V
(2mkT )3/2 e [
x e dx e 1/2 x
x1/2e2 x dx],
§8.3 波色-爱因斯坦凝聚 Bose-Einstein condensation (BEC）
20世纪头20年，物理学界正在萌发量子力学的新兴学科。 在黑体辐射和光电效应的研究中诞生了量子的概念，光的量子被称为光子。 德国物理学家普朗克找到了一个经验公式，很好地符合了黑体辐射观测得到的曲线， 但是他当时不能解释这一经验公式的物理含义。时光推到1924年，当时年仅30岁的玻色， 接受了黑体辐射是光子理想气体的观点，他研究了“光子在各能级上的分布”问题， 采用计数光子系统所有可能的各种微观状态统计方法， 以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式， 证明了普朗克公式可以从爱因斯坦气体模型导出。 兴奋之余，他写了一篇题为《普朗克准则和光量子假设》 的文章投到英国的《哲学杂志》，但被拒绝了。不得已， 他把那篇只有六页的论文寄给了爱因斯坦，期望爱因斯坦能理解他的发现。 爱因斯坦立即意识到玻色工作的重要性，他亲自将文章翻译成了德文，帮助在 《德国物理学报》发表了。之后，爱因斯坦把波色统计方法推广到静止质量不为零、 粒子数不变的系统上，建立了量子统计学中波色—爱因斯坦统计。爱因斯坦将玻色的 理论用于原子气体中，于1924和1925年发表了两篇文章，他推测到，在正常温度下， 原子可以处于任何一个能级，但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的 能级上，原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。 后来物理界将这种现象称为玻色－爱因斯坦凝聚
量子统计
1 α PV = NkT 1 e 4 2
2 PV = U 3
(三),玻色-爱因斯坦凝聚 三 ,玻色-
前面讨论过非简并和弱简并玻色气体的情况. 前面讨论过非简并和弱简并玻色气体的情况.现在我们讨论 简并理想玻色气体的情况以及其在动量空间中的凝聚现象. 的情况以及其在动量空间中的凝聚现象 简并理想玻色气体的情况以及其在动量空间中的凝聚现象.
S = k ln
,其中我们已经取积分常数为零. 其中我们已经取积分常数为零.
对于一个开放的系统,粒子数目的变化不为零, 对于一个开放的系统,粒子数目的变化不为零,有:
(dU Ydy ) = d ln Ξ α ln Ξ β ln Ξ α d N β α β
α β dU Ydy + d N = d ln Ξ α ln Ξ β ln Ξ β α β
1/ 2
∞
系统的内能U为 系统的内能 为:
ε 2πV 3/ 2 U = g 3 (2m ) ∫ α + βε dε h 1 0e
3/ 2
∞
令:
x = βε
两个被积函数的分母可以写成: 两个被积函数的分母可以写成:
1 e
α+x
1 e
=
α+x
(
1 α x 1 e
)α x1 e源自α+x1=e
α x
∞ 2π ε 1 / 2 dε 3/ 2 (2m ) ∫ =n h3 0 exp ε 1 kT
在低温情况下,粒子将尽可能占据能量低的能级. 在低温情况下,粒子将尽可能占据能量低的能级.由 于玻色子在能级上的占据数目不受限制, 于玻色子在能级上的占据数目不受限制,因此在温度 趋于绝对零度时,基态上的粒子数目将会很大. 趋于绝对零度时,基态上的粒子数目将会很大.因而 不能忽略. 不能忽略.在T<Tc时,有: 时
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
164
N = ∑ e 1 −1, ( ) nx ,ny ,nz
1 kT
⎡⎣ℏ
nxωx +nyω y +nzωz
⎤ ⎦
（6）
或
∑1
N = , nx +ny +nz e −1 nx ,ny ,nz
（7）
课 后 答 案 网
其中
ni
=
ℏωi kTc
ni
(i = x, y, z).
在T << Tc 时，凝聚在基态的粒子数 N0 由下式确定：
课 后 答 案 网
N
−
N0
= 1.202⎛⎜⎝
kT ℏω
3
⎞ ⎟⎠
,
上式可改写为
3
N0 N
⎛T
=
1
−
⎜ ⎝
TC
⎞ ⎟ ⎠
.
（10）
式（9）和式（10）是理想玻色气体的结果. 实验上实现玻色凝聚的气体，原
子之间存在弱相互作用，其特性与理想玻色气体有差异. 互作用为斥力或吸
.
（6）
将式（5）代入式（4）可将费米巨配分函数表示为
∑ ln Ξ =
l
ωl
ln
ωl ωl −
al
.
（7）
将式（6）和式（7）代入式（3）， 有
159
∑ S = k
l
⎛ ⎜ ⎝
ωl
ln
ωl ωl −
al
+
al
ln
ωl − al
al
⎞ ⎟ ⎠
∑ = k ⎡⎣ωl ln ωl − al ln al − (ωl − al )ln (ωl − al )⎤⎦.
能量为
( ) ℏ
ε0 = 2 ωx +ωy +ωz
163
的基态，在 N → ∞, ω → 0, Nω 3 保持有限的热力学极限下，临界温度Tc 由下式确 定：
N
=
1.202 ×
⎛ ⎜
⎝
kTc ℏω
3
⎞ ⎟ ⎠
,
1
其中 ω = (ωxωyωz )3 .温度为 T 时凝聚在基态的原子数 N0 与总原子数 N 之比为
在 ℏωi << 1的情形下，可以将 ni 看作连续变量而将式（7）的求和用积分代替. 注
kTc
意到在 dnxdnydnz 范围内，粒子可能的量子态数为
⎛ ⎜ ⎝
kTc ℏω
3
⎞ ⎟ ⎠
dnxdnydnz
,
即有
∫ N
=
⎛ ⎜⎝
kTc ℏω
3
⎞ ⎟⎠
dnxdnydnz , e − 1 nx +n y +nz
∑ lnΩ = ⎡⎣ωl ln ωl − al ln al − (ωl − al )ln (ωl − al )⎤⎦.
l
另一方面，根据式（8.1.10），理想费米系统的熵为
S
=
k
⎛ ⎜ ⎝
ln
Ξ
−
α
∂ ∂α
ln
Ξ
−
β
∂ ∂β
ln
Ξ
⎞ ⎟ ⎠
( ) = k ln Ξ +α N + βU
=
k
⎡ ⎢⎣ln
Ξ
课 后 答 案 网
S
=
∫
CV T
dT
+
S0
(V
).
将式（4）代入，得弱简并气体的熵为
（5）
3
S
=
3 Nk ln T
2
± Nk
1
7
22
1 g
⎛ h2
n
⎜ ⎝
2πmkT
⎞2 ⎟ ⎠
+ S0 (V ).
（6）
式中的函数 S0 (V ) 可通过下述条件确定：在
3
nλ 3
=
N V
⎛ ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎠
+
al ωl
ln
al ωl
⎤ ⎥, ⎦
（1）
式中 ∑
l
表示对粒子各能级求和.
以
fs
=
al ωl
表示在能量为 εl
的量子态
s
上的平
均粒子数，并将对能级 l 求和改为对量子态 s 求和，注意到
上式可改写为
∑ωl ~ ∑ ,
l
s
∑ SF.D. = −k ⎡⎣ fs ln fs + (1− fs ) ln (1 − fs )⎤⎦.
8.4 试证明，在热力学极限下均匀的二维理想玻色气体不会发生玻色-
受因斯坦凝聚.
解: 如§8.3 所述，令玻色气体降温到某有限温度 Tc ，气体的化学势将趋于 -0. 在T < Tc 时将有宏观量级的粒子凝聚在 ε = 0 的基态，称为玻色-爱因斯坦凝 聚. 临界温度 Tc 由条件
162
确定.
+∞ D (ε )dε
s
（2）
160
由于 fs ≤1，计及前面的负号，式（2）的两项都是非负的. 对于理想玻色气体，通过类似的步骤可以证明
∑ SF.D. = −k ⎡⎣ fs ln fs − (1+ fs ) ln (1 + fs )⎤⎦.
s
（3）
对于玻色系统 fs ≥ 0 ，计及前面的负号，式（3）求和中第一项可以取负值，第
课 后 答 案 网
3
N0 N
⎛T ⎞
=
1−
⎜ ⎝
Tc
⎟ ⎠
.
解: 约束在磁光陷阱中的原子，在三维谐振势场中运动，其能量可表达
为
ε
=
⎛ ⎜ ⎝
px2 2m
+
1 2
mω
2 x
x2
⎞ ⎟ ⎠
⎛ + ⎜⎜
⎝
p
2 y
2m
+
1 2
mω
2 y
y
2
⎞ ⎟⎟ + ⎠
⎛ ⎜ ⎝
pz2 2m
+
∑ SF.D. = k ⎡⎣ωl ln ωl − al ln al − (ωl − al )ln (ωl − al )⎤⎦
l
∑ = −k
l
⎡⎢(ωl
⎣
− al
) ln
ωl − al ωl
+ al
ln
al ωl
⎤ ⎥ ⎦
∑ = −k
l
ωl
⎡⎛ ⎢⎜1− ⎣⎝
al ωl
⎞ ⎟ ln ⎠
⎛ ⎜1− ⎝
al ωl
⎢⎢1
±
1
5
⎢⎣ 22
1 g
N ⎛ h2
V
⎜ ⎝
2πmkT
3⎤
⎞ ⎟ ⎠
2
⎥ ⎥ ⎥⎦
（1）
（式中上面的符号适用于费米气体，下面的符号适用于玻色气体，下同）. 利
用理想气体压强与内能的关系（见习题 7.1）
可直接求得弱简并气体的压强为
p= 2U, 3V
（2）
⎡
p = nkT ⎢⎢1±
1
5
⎢⎣ 22
1 ⎛ h2
1 2
mω
2 z
z2
⎞ ⎟, ⎠
（1）
这是三维谐振子的能量（哈密顿量）. 根据式（6.2.4），三维谐振子能量的
可能值为
ε nx ,ny ,nz
=
ℏω
x
⎛ ⎜
nx
⎝
+
1 2
⎞ ⎟ ⎠
+
ℏω
y
⎛ ⎜ ⎝
n
y
+
1 2
⎞ ⎟ ⎠
+
ℏω
z
⎛ ⎜ ⎝
nz
+
1 2
⎞ ⎟ ⎠
,
nx , ny , nz = 0, 1, 2, ⋯
kTc
，上式可改写为
2πL2
+∞ dx
∫ h2 mkTc 0 ex −1 = n.
在计算式（3）的积分时可将被积函数展开，有
1
1
( ) ( ) ex −1 = ex 1− e−x
= e−x 1 + e−x + e−2x +⋯ ,
（3）
则
∫ +∞ 0
dx ex −1
=
1
+
1 2
+
1 3
+
⋯
∑∞ 1
=. n=1 n
低能级的能量，即 化学势 µ 由
( ) ℏ
µ < ε0 ≡ 2 ωx +ωy +ωz .
（4）
N = ∑ e 1 −1 ( ) nx ,ny ,nz
1 kT
⎡⎣ℏ
nxωx +nyωy +nzωz
+ε
0
−µ
⎤ ⎦
（5）
确定. 化学势随温度降低而升高，当温度降到某临界值Tc 时 ，µ 将趋于 ε0.临界 温度 Tc 由下式确定：
l
比较式（8）和式（2）， 知
（8）
S = k ln Ω.
（9）
对于理想玻色系统，证明是类似的.
课 后 答 案 网
8.2 试证明，理想玻色和费米系统的熵可分别表示为
∑ SB.E. = k ⎡⎣ fs ln fs − (1+ fs ) ln (1 + fs )⎤⎦,
s
∑ SF.D. = −k ⎡⎣ fs ln fs + (1− fs )ln (1 − fs )⎤⎦,
（2）
如果原子是玻色子，根据玻色分布，温度为 T 时处在量子态 nx, ny, nz 上的粒子 数为