- •Основные свойства теплового излучения
- •Спектры люминесценции
- •[Править]Принцип Франка — Кондона
- •[Править]Правило Стокса — Ломмеля
- •[Править]Постоянство спектра люминесценции
- •[Править]Правило зеркальной симметрии Левшина
- •[Править]Выход люминесценции
- •[Править]Тушение люминесценции
- •[Править]Первый закон
- •[Править]Второй закон
- •Внешний фотоэффект
- •[Править]Законы внешнего фотоэффекта
- •Внутренний фотоэффект
- •[Править]Вентильный фотоэффект
- •[Править]Фотовольтаический эффект
- •[Править]Ядерный фотоэффект
- •Вопрос 11 Опыт Франка — Герца
- •Элементарная боровская теория водородного атома
- •Вопрос 12
- •Вопрос 13
- •Вопрос 14 Соотношение неопределенностей
- •Формулировка [править]Общий случай
- •[Править]Случай трёхмерного пространства
- •[Править]Стационарное уравнение Шрёдингера
- •[Править]Получение уравнения Шрёдингера предельным переходом [источник не указан 32 дня]
- •Физический смысл волновой функции
- •[Править]Волновая функция в различных представлениях
- •[Править]Принцип суперпозиции квантовых состояний
- •[Править]Условия регулярности волновой функции
- •[Править]Нормированность волновой функции
- •[Править]Матричная и векторная формулировки
- •[Править]Философский смысл волновой функции
- •Вопрос 16
- •[Править]Операторы рождения и уничтожения
- •[Править]Ангармонический осциллятор
- •[Править]Многочастичный квантовый осциллятор
- •[Править]Переходы под влиянием внешней силы
- •Вопрос 17 Атом водорода в квантовой механике
- •Физический смысл
- •Вопрос 18
- •Физический смысл
- •Свойства спина
- •История
- •[Править]Спин и магнитный момент
- •[Править]Спин и статистика
- •[Править]Обобщение спина
- •[Править]Спин классических систем
- •§2. Собственный магнитный момент электрона
- •Результирующий механический момент многоэлектронного атома.
- •Вопрос 19
- •[Править]Строение атомов и принцип Паули
- •Хунда правило
- •История открытия
- •[Править]Структура периодической системы
- •[Править]Значение периодической системы
- •Вопрос 20
- •Природа эффекта [править]в классическом представлении
- •[Править]в квантовом представлении
- •[Править]Нормальный эффект Зеемана
- •[Править]Аномальный эффект Зеемана
- •Применение теории идеального газа [править]Физический смысл температуры газа
- •[Править]Распределение Больцмана
- •[Править]Адиабатический процесс
- •[Править]Квантовый идеальный газ
- •[Править]Ферми-газ
- •[Править]Бозе-газ
- •Молекулярно-кинетическое толкование температуры и давления. Закон Дальтона.
- •Физические случайные величины.
- •Распределение по вектору импульса
- •Границы применимости
- •[Править]Условия классического рассмотрения
- •Барометрическая формула
- •Влияние температуры на вязкость газов
- •Первый закон термодинамики
- •Теплоёмкость идеального газа
- •Применение первого закона термодинамики к изопроцессам
- •Второй Закон Термодинамики
- •3.8. Термодинамическая энтропия
Распределение по вектору импульса
Представленное ниже очень сильно отличается от вывода, предложенного Джеймсом Клерком Максвеллом и позже описанного с меньшим количеством предположений Людвигом Больцманом.
В случае идеального газа, состоящего из не взаимодействующих атомов в основном состоянии, вся энергия находится в форме кинетической энергии. Кинетическая энергия соотносится с импульсом частицы следующим образом
,
где — квадрат вектора импульса .
Мы можем поэтому переписать уравнение (1) как:
,
где — статсумма, соответствующая знаменателю в уравнении (1), — молекулярная масса газа, — термодинамическая температура, и — постоянная Больцмана. Это распределение пропорционально функции плотности вероятности нахождения молекулы в состоянии с этими значениями компонентов импульса. Таким образом:
Постоянная нормировки C, определяется из условия, в соответствии с которым вероятность того, что молекулы имеют какой-либо вообще импульс, должна быть равна единице. Поэтому интеграл уравнения (4) по всем значениям и должен быть равен единице. Можно показать, что:
.
Таким образом, чтобы интеграл в уравнении (4) имел значение 1 необходимо, чтобы
.
Подставляя выражение (6) в уравнение (4) и используя тот факт, что , мы получим
.
[править]Распределение по вектору скорости
Учитывая, что плотность распределения по скоростям пропорциональна плотности распределения по импульсам:
и используя мы получим:
,
что является распределением Максвелла по скоростям. Вероятность обнаружения частицы в бесконечно малом элементе около скорости равна
Распределение по абсолютной величине импульса
Интегрируя, мы можем найти распределение по абсолютной величине импульса
[править]Распределение по энергии
Наконец, используя соотношения и , мы получаем распределение по кинетической энергии:
[править]Распределение по проекции скорости
Распределение Максвелла для вектора скорости — является произведением распределений для каждого из трех направлений:
,
где распределение по одному направлению:
Это распределение имеет форму нормального распределения. Как и следует ожидать для покоящегося газа, средняя скорость в любом направлении равна нулю.
[править]Распределение по модулю скоростей
Обычно, более интересно распределение по абсолютному значению, а не по проекциям скоростей молекул. Модуль скорости, v определяется как:
поэтому модуль скорости всегда будет больше или равен нулю. Так как все распределены нормально, то будет иметь хи-квадрат распределение с тремя степенями свободы. Если — функция плотности вероятности для модуля скорости, то:
,
где
таким образом, функция плотности вероятности для модуля скорости равна
Характерная скорость
Хотя Уравнение (11) дает распределение скоростей, или, другими словами, долю молекул, имеющих специфическую скорость, часто более интересны другие величины, такие как средние скорости частиц. В следующих подразделах мы определим и получим наиболее вероятную скорость, среднюю скорость и среднеквадратичную скорость.
[править]Наиболее вероятная скорость
наиболее вероятная скорость, — вероятность обладания которой любой молекулой системы максимальна, и которая соответствует максимальному значению . Чтобы найти её, необходимо вычислить , приравнять её нулю и решить относительно :
[править]Средняя скорость
Подставляя и интегрируя, мы получим
Среднеквадратичная скорость
Подставляя и интегрируя, мы получим
[править]Вывод распределения по Максвеллу
Получим теперь формулу распределения так, как это делал сам Джеймс Клерк Максвелл[источник не указан 731 день]. Рассмотрим пространство скоростных точек (каждую молекулу представляем как точку в системе координат ) в стационарном состоянии газа. Выберем бесконечно малый элемент объема . Так как газ стационарный, количество скоростных точек в остается неизменным с течением времени. Пространство скоростей изотропно, поэтому функции плотности вероятности для всех направлений одинаковы.
Максвелл предположил, что распределения скоростей по направлениям статистически независимы, то есть компонента скорости молекулы не зависит от и компонент.
- фактически вероятность нахождения скоростной точки в объеме .
Правая часть не зависит от и , значит и левая от и не зависит. Но и равноправны, значит левая часть не зависит также и от . Значит, это константа.
Теперь нужно сделать принципиальный шаг - ввести температуру. Кинетическое определение температуры (как меры средней кинетической энергии движения молекул):
где Дж/К - постоянная Больцмана.
Все направления равноправны:
Чтобы найти среднее значение , проинтегрируем её вместе с функцией плотности вероятности от минус до плюс бесконечности:
Отсюда найдём :
Функция распределения плотности вероятности для (для и аналогично):
Рассмотрим теперь распределение по величине скорости. Вернемся в пространство скоростных точек. Все точки с модулем скорости лежат в шаровом слое радиуса и толщины , и - объем этого шарового слоя.
Так, мы получили - функцию плотности вероятности, которая и называется распределением Максвелла.