Вопрос 5
Гипотеза Максвелла:
Вероятность того, что у молекулы будет
одновременно три проекции скорости
в соответствующих интервалах
определяется произведением трех
вероятностей, если проекции
скоростей молекулы рассматривать как
независимые случайные величины:
.
(17)
Это равенство
определяет вероятность того, что скорость
молекулы (точка, совпадающая с концом
вектра скорости) находится в элементарном
объеме пространства скоростей
(см. рис.20).
С другой стороны,
наличие у молекулы трех проекций скорости
определяет направление движения и
модуль скорости, которые также
являются случайными величинами.
Направление движения является
произвольным, а значит и распределение
скоростей вдоль этого направления
должно иметь такой же вид как и вдоль
любой из осей, но с другой нормировочной
постоянной.
Теперь вероятность
обнаружения скорости молекулы в
элементарном объеме пространства
скоростей
с помощью функции
означает определение вероятности
определенного значения скорости
молекулы:
(18)
или, сравнивая (17) и (18), получаем:
.
(19)
Используя свойства
непрерывности и положительности функций,
составляющих уравнение (3), и далее
определяем вид функции распределения
скоростей
.
Для этого последовательно прологарифмируем
обе части уравнения (3), а затем
продифференцием полученное равенство:
,
.
Раскрыв скобки в правой части, получаем:
.
Отсюда, ввиду
независимости дифференциалов, следует
равенство нулю выражений в квадратных
скобках и далее:
,
А это, в свою очередь,
возможно из-за независимости
только в том случае, когда эти выражения
равны одной и той же постоянной,
т.е.
.
На примере одной из проекций приведем последовательно операции интегрирования и потенцирования:
;
;
;![]()
где множители
и
для всех трех проекций одинаковы, т.к.
оси координат полностью эквивалентны,
а случайные величины
независимы.
Функция со знаком плюс в экспоненте не подходит в качестве решения, поскольку он определяет случай безграничного увеличения плотности вероятности при удалении от центра мишени, что невозможно. С другой стороны (обязательность выполнения) условие нормировки выполняется (интеграл сходится) только при отрицательном показателе. Поэтому, для удобства, считая неопределенный параметр >0, подставляем его в степень со знаком "минус".
Окончательно:
![]()
![]()
и называется распределением Гаусса.
Вероятность того,
что проекция скорости на ось 0х
заключена в интервале [
]:
Аналогия справедлива и для других
проекций скорости. Тогда
(20)
Совместная вероятность флуктуации проекций скоростей получена перемножением вероятностей флуктуаций проекций скоростей по каждой из оси (флуктуации проекций скоростей - величины независимые).
Постоянная А
находится из условия нормировки с учетом
того, что запрещенных значений абсолютных
скоростей нет, а значит для любой ячейки:
.
Учитывая, что
известено значение интеграла Пуассона:
,
далее просто определить значение
интеграла данного вида:
.
(21)
Тогда из условие
нормировки определяем:
.
Вычислим среднее значение кинетической энергии:
![]()

Распишем правую
часть равенства как сумму тройных
интегралов и получим
В квадратной скобке
имеется девять интегралов, шесть из
которых вида (21), а значит имеют известное
значение
.
Оставшиеся три формально идентичны
и определяются методом дифференцирования.
Например:
.![]()
Подставляем
известные значения интегралов и с учетом
множителя перед квадратной скобкой
получаем выражение:
.
Но так как в
равновесном состоянии
,
то определяется вторая постоянная:
.
Перейдем от
декартовой к сферической системе
координат скоростей, определяемой
радиусом
и телесным углом
(прил.2).
Так как
,
то объем тонкого сферического слоя
толщиной
и радиуса
составит
(см. прил. 2). Проинтегрируем первые два
сомножителя в правой части по всему
телесному углу:
.
Тогда формула
(17), с учетом
и
=
и в сферических координатах перепишется
в виде:
,
(22)
как вероятность
того, что частица массой m
находится в тонком сферическом
слое толщиной
пространства скоростей.
Перепишем уравнение (22) в виде:
(23)
Функция в форме
(23) называется распределением
Максвелла,
и является плотностью вероятности
обладания молекулой модулем скорости
.
температур: Т1
= T/2;
Т2
= T;
Т3
= 2T

частиц имеют вероятность
быть обнаруженными в интервале
и
.
ЗдесьN -
полное число молекул в системе.
Относительное число молекул в
указанном интервале
,
или
![]()
![]()
