Элементы квантовой статистики

В классической статистической физике волновыми свойствами частиц газа можно пренебречь, так как их длина волны де Бройля l при обычных температурах оказывается меньше характерных пространственных параметров микрочастиц (l<<r). В случае квантовых объектов l ³ r и приходится описывать их поведение волновой функцией, определяющей квантовое состояние микрочастиц, обусловленное набором некоторых динамических параметров. Газ в этом случае называется квантовым газом.

Если взаимодействие между частицами газа настолько мало, что потенциальной энергией этого взаимодействия можно пренебречь по сравнению с кинетической энергией, то этот газ будет представлять собой идеальный квантовый газ, в котором частицы можно считать свободными, аих волновые функции – плоскими или сферическими волнами.

Квантовое состояние. Плотность числа квантовых состояний

Основным понятием квантовой статистики, которое играет главную роль при анализе распределения частиц по энергиям, является понятие о квантовых состояниях. Квантовое состояние характеризуется некоторым набором чисел, называемых квантовыми числами. Некоторые из квантовых чисел могут быть связаны с энергией частицы, а другие с энергией частицы не связаны. Имея одну и ту же энергию, частица может, вообще говоря, находиться в различных квантовых состояниях. Частицы в соответствии с определенными “правилами поведения” распределяются по квантовым состояниям, и в результате этого образуется распределение частиц по энергиям.

Частица может находиться в определенных квантовых состояниях не только в случае движения частицы в ограниченной области пространства (потенциальный ящик, атом водорода), но и в случае идеального газа, в котором отсутствует силовое взаимодействие между частицами. Это связано с тем, что в идеальном газе мы можем говорить о наборе проекций импульса частиц только в пределах точности определения этих проекций, задаваемой соотношениями неопределенностей Гейзенберга. При этом импульсу, принимающему значение вблизи ( ), будет соответствовать несколько квантовых состояний, отличающихся набором различных значений проекций, т. е. направлением вектора импульса в пространстве.

Квантование импульса и энергии частиц, составляющих квантовый газ, принято описывать в некотором многомерном пространстве. Поскольку состояние частицы определяется заданием трех коор­динат и трех проекций импульса на оси координат (с той или иной точностью), то удобно это состояние изображать в так называемом фазовом пространстве, т.е. в шестимерном пространстве с осями координат . В классическом случае точные значения всех координат и проекций импульса могут быть определены одновременно, поэтому со­стояние частицы в этом случае изображается точкой в фазовом пространстве, а набор возмож­ных состояний будет сплош­ным. Перемещаясь во времени по непрерывному ряду состоя­ний в фазовом пространстве, классическая частица описывает фазовую траекторию.

На рис. 3.1 приведены фазовые траектории классической частицы, совершающей некоторые виды движения вдоль оси X:

• равномерное движение

; ; ; (прямая 1)

• равноускоренное движение с ускорением ;

; ; ; (кривая 2)

• гармоническое колебание под действием квазиупругой силы

; ,

где Е - полная энергия колебательного движения.

Рис. 3.1

Фазовыми траекториями в этом случае будут эллипсы , которые одновременно являются и кривыми равных энергий (кривые 3', 3").

Если вблизи некоторой точки фазового пространства координаты и проекции импульса частицы могут изменяться в пределах ; , то величина называется ячейкой фазового пространства. При этом , где - объем ячейки в геометрическом пространстве; - в пространстве импульсов.

Разница между коллективами классических и квантовых объектов проявляется, прежде всего, в конечности числа состояний, в которых может находиться микрочастица, движущаяся в ограниченной области фазового пространства. Конечность же числа состояний следует непосредственно из соотношения неопределенностей, которое накладывает ограничение на максимальную точность одновременного определения координаты и импульса.

Действительно, в случае одномерного движения частицы вдоль оси Х два состояния микрочастицы с импульсами и на участке длиной могут быть различимы только в том случае, если будет равно или больше значения неопределенности по импульсу , задаваемому соотношением неопределенностей, т.е. . Таким образом, для одномерного случая одному состоянию в фазовом пространстве соответствует так называемая элементарная ячейка размером . (фазовое пространство в этом случае двухмерно, и определяет элементарную площадку в этом пространстве).

Тогда число возможных состояний микрочастицы , где - объем фазового пространства, соответствующий изменению ее импульса и координат в интервале , а (рис. 3.2,а). Величина элементарной ячейки импульсного пространства при этом равна

.

В трехмерном пространстве импульсов:

.

Перемножив эти неопределенности проекций импульса по координатам, получаем неопределенность в определении модуля вектора импульса:

, (3.1)

т.е. величину объема элементарной ячейки импульсного пространства, соответствующего квантовому состоянию (см. рис. 3.2,6). Действительно, чтобы отличить два состояния микрочастицы с импульсами и нужно, чтобы векторы и попадали в разные ячейки фазового пространства. В противоположном случае импульсы неразличимы, так как разница их значений лежит в пределах точности измерения ( и на рис. 3.2,6).

Здесь следует отметить, что с учетом спина микрочастицы на элементарную ячейку фазового пространства приходится не одно, а состояний, где - спиновое число микрочастицы.

Таким образом, если частицы находятся в ограниченном объеме фазового пространства, то из конечности объема элементарной ячейки непосредственно следует конечность числа состояний, в которых может находиться микрочастица (т.е. она может обладать конечным набором возможных значений импульса и энергии). При этом число состояний, в которых может находиться микрочастица в определенном интервале изменения импульса, зависит от значений импульса. Другими словами, можно ввести понятие плотности числа состояний в импульсном пространстве, т.е. функцию , показывающую сколько состояний находится в единичном интервале изменения импульса вблизи данного значения импульса . Аналогично можно ввести понятие плотности числа состояний в энергетическом пространстве, т.е. функцию , показывающую сколько состояний находится в единичном интервале изменения энергии вблизи данного значения энергии .

Рис. 3.3

Для получения плотности числа состояний микрочастицы, движущейся свободно в объеме , рассмотрим в импульсном пространстве шаровой слой, заключенный между сферами с радиусами и , объем такого слоя равен (см. рис. 3.3). Тогда число состояний в шаровом слое будет равно объему этого слоя, деленному на объем элементарной ячейки. Кроме того, для учета спиновых состояний это выражение необходимо умножить на . Таким образом, число возможных состояний, находящихся в интервале изменения импульса от до , равно

где - объем элементарной ячейки в пространстве импульсов.

Далее, разделив на и , получим выражение для плотности числа состояний :

. (3.2)

Для получения плотности числа состояний в энергетическом пространстве предположим, что микрочастицы являются свободными, т.е. связь между энергией и импульсом имеет вид: , где - масса частицы (в случае электронов в твердом теле под подразумевается их эффективная масса).

Подставив выражения ; в формулу для и разделив на и , имеем:

. (3.3)

Эта формула дает число состояний в единичном интервале энергий около энергии и единичном объеме; график соответствующей зависимости приведен на рис. 3.4.

Общее число состояний в интервале равно .

E Рис. 3.4