§1. Классикалы› жЇйеніЈ фазалы› сипаттамалары.
Макроскопиялы› жЇйеніЈ динамикалы› сипаттамалары. Макроскопиялы› жЇйелерді зерттеу Їшін модель керек. Я“ни оныЈ кіші элементтері кйрсетіліп, олардыЈ йзара Щсерлесуі ›андай болатынды“ын кйрсету керек. љоз“алысын классикалы› немесе квантты› Щдіспен сипаттай ма? МикробйлшектердіЈ ›оз“алысын сипатттау Їшін квантты› Щдісті ›олданады, біра› ілгерілмелі ›оз“алысты классикалы› Щдіспен сипаттау“а болады. Шрбір бйлшектіЈ орны- (х, y, z.), импульстары шамалармен сипатталады. N бйлшектіЈ ›оз“алысын сипаттау Їшін 6N йлшем саны керек: оныЈ 3N-і координаттар жЩне 3N-і импульс ›±раушылары. Егер б±л шамалар бір–бірінен тЩуелсіз болса, б±л шамалар саны (6N) еркіндік дЩрежелерініЈ санына теЈ. Осы шамалар берілсе, жЇйеніЈ микроскопиялы› кЇйі берілді деп есептеледі. Уа›ыт йткен сайын б±л шамалар йзгереді, я“ни жЇйеніЈ микрокЇйі йзгереді. Б±л ›оз“алыс Гамильтон теЈдеулерімен сиптталады.
і=1,2,...3N (1.1)
Осы теЈдеулерді шешіп, жЇйеніЈ микроскопиялы› кЇйін табу“а болады. МикрокЇйлердіЈ энергиялары бойынша орта› тобы- бір макроскопиялы› кЇйге сЩйкес келеді. Гамильтон функциясы еркін бйлшек Їшін энергия болып табылады.
(1.2)
-жЇйеге сырт›ы Щсер параметрлері. БйлшектердіЈ йзара Щсері Щлсіз болса, жуы›тап нйлге теЈ деп ›абылдау“а болады. Онда тек сырт›ы Щсер ›алады. Б±ндай жЇйе- идеал газ деп аталады.
Сонымен, N – бйлшектен ›±рыл“ан жЇйені сипаттау Їшін 6N шама ›ажет болады. Осы шамалардыЈ кейбіреулері бір–біріне тЩуелді болса, онда еркіндік дЩрежелерініЈ саны 6N –нен кем болады. Классикалы› механиканы йткен кезде, механикалы› ›оз“алыстарды зерттеуді жеЈілдету ма›сатында шартты кеЈістік тЇрлері енгізілді. Тек координаттардан ›±рал“ан кеЈістік– геометриялы› кеЈістік деп аталады. Барлы› координаттар мен уа›ыттан ›±рал“ан шартты кеЈістік–конфигурациялы› кеЈістік деп аталады. Ал координаттардан жЩне импульс ›±раушыларынан ›±рал“ан шартты кеЈістік– фазалы› кеЈістік деп аталады. ЖЇйеніЈ йзгерістерін сипаттау Їшін 6N йлшемді шартты кеЈістік енгізіп, сонда“ы шартты нЇктеніЈ ›оз“алысы тЇрінде б±л йзгерістерді ›арастыру“а болады. Фазалы› кеЈістік деп осындай кеЈістікті атайды. Б±л кеЈістіктіЈ Щрбір нЇктесініЈ 6N координаты бар. Шрбір нЇкте жЇйеніЈ белгілі- бір микроскопиялы› кЇйін аны›тайды. Б±л нЇкте жЇйеніЈ бейнелеуіш нЇктесі деп аталады. Ал жЇйені сипаттайтын шамалардыЈ кейбіреулерініЈ бір–бірімен байланысын сипаттайтын теЈдеулер фазалы› кеЈістікте сызы›ты аны›тайды. Бейнелеуіш нЇктеніЈ фазалы› кеЈістікте уа›ыт йткен сайын орын ауыстыратын жолы фазалы› траектория деп аталады. ОныЈ теЈдеулері:
i=1,2,3,... 3N (1.3)
Б±л теЈдеулер Гамильтон теЈдеуініЈ шешімдері болып табылады. Фазалы› кеЈістіктіЈ кйлем элементі
(1.4)
›ыс›аша белгісі: . Декартты› координат жЇйесінде
dГ= (dxdydzdpхdpуdpz)і , немесе dГ=dr dp (1.5)
Сонымен фазалы› кеЈістік элементі екі кеЈістіктіЈ элементтерініЈ кйбейтіндісі болып табылады: dp- импульстар кеЈістігі элементі, dq- конфигурациялар кеЈістігі элементі. Я“ни жалпы айт›анда:
Фазалы› кеЈістік= импульстар кеЈістігі + конфигурациялар кеЈістігі
Фазалы› кеЈістікті Щрбір бйлшектіЈ кеЈістікшесі 6 йлшемді болатындай етіп бйлсе, онда фазалы› кеЈістік N кеЈістікшеден ›±рылады, Щр›айсысы 6 йлшемді. ’ылыми Щдебиетте бір бйлшектіЈ 6-йлшемді кеЈістігін μ-кеЈістік деп атайды, ал N бйлшектіЈ 6N-йлшемді кеЈістігін Γ-кеЈістік деп атайды. Изоляциялан“ан жЇйеніЈ микрокЇйлері (бейнелеуіш нЇктелері) фазалы› кеЈістіктіЈ шектелген аума“ында орналас›ан.
Мысал 1: Бір бйлшектіЈ фазалы› μ-кеЈістік кйлемін табу керек.
Бір бйлшектіЈ Їлесіне тиетін фазалы› μ-кеЈістік кйлемі:
. (1.6)
Осы интегралды табайы›. х,у,z координатасыныЈ йзгеру шегі - ыдыстыЈ кйлемімен шектелген. БйлшектіЈ кеЈістіктегі орны оныЈ импульсына тЩуелді емес. Сонды›тан
(1.7)
интегралдаулар бір бірінен тЩуелсіз орындалады. - ыдыс кйлемі. Энергия мен импульстыЈ классикалы› физикада“ы йзара байланысы: Біра› бйлшек энергиялары шектеулі бол“анды›тан ( ), импульстары да шектеулі болуы тиіс: . М±нда бйлшек импульсыныЈ еЈ Їлкен мЩні: . Импульс векторлы шама бол“анды›тан, ›оз“алыс ба“ыттары алуан тЇрлі болуы мЇмкін , Щрбір жеке декартты› ›±раушысы Їшін табатынымыз:
; ; ;
сонды›тан бйлшектіЈ мЇмкін микрокЇйлері импульстар кеЈістігінде радиусы сферасыныЈ ішкі аума“ын толтыратынды“ы кйрінеді. Радиусы p0- шардыЈ кйлемі
(1.8)
Сонды›тан микрокЇйлерге сЩйкес импульс кеЈістігінде алатын кйлемі . Сонымен, ›орытындылай келгенде бір бйлшектіЈ фазалы› кеЈістіктегі ›оз“алатын аума“ыныЈ кйлемі: . Ал энергиясы -нан -ге дейін бйлшек микрокЇйлерініЈ барлы“ына ›андай элементар фазалы› кйлем сЩйкес келеді? –деген с±ра››а:
- (1.9)
деп кйрсетуге болады.
Мысал 2: Кйлемі V ыдыстыЈ ішінде бірдей N бйлшек болсын. Осы физикалы› жЇйеніЈ фазалы› кйлемін табайы›. ЭнергияларыныЈ ›осындысы 0ёЕ аралы“ында болсын. МолекулалардыЈ йзара Щсерлесуі олардыЈ энергияларын йзгертеді, біра› бір бйлшектіЈ энергиясы 0ёЕ шегінен шы›пайды.
(1.10)
барлы› бйлшектер координаталары V кйлемніЈ ішінде, сонды›тан
(1.11)
Фазалы› кйлем:
(1.12)
ЖЇйеніЈ толы› энергиясы жЇйе бйлшектерініЈ энергияларыныЈ ›осындысына теЈ. Ал импульстар кеЈістігінде импульс проекцияларыныЈ йзгерістері йзара тЩуелсіз емес, йзгеру шектері аралы“ында, я“ни . ОлардыЈ Щр›айсысы -ге дейінгі мЩндердіЈ кез келгеніне ие болуы мЇмкін. Импульстар кеЈістігінде б±л теЈсіздік радиусы- гиперсфераны бйліп шы“арады. ОныЈ центрі координатты› жЇйесініЈ тйбесінде орналасады. Импульс кеЈістігіндегі интегралдыЈ мЩні осы гиперсфераныЈ кйлеміне теЈ. Импульсты› кеЈістіктегі йлшемдер саны 3N, екі йлшемді жазы› бетте дйЈгелектіЈ ауданы R2 -›а пропорционал болады десек, Їш йлшемді кеЈістікте сфера кйлемі R3-ке пропорционал болар еді: Ал 3N йлшемді кеЈістікте гиперсфера кйлемі -ге пропорционал деп айту“а болады. Сонымен,
(1.13)
т±ра›ты кйбейткіш. Осыдан dE энергия интервалына сЩйкес келетін фазалы› кйлем элементі:
(1.14)
Сонымен классикалы› макрожЇйені сипаттау Їшін 2f йлшемді фазалы› кеЈістік ›ажет: f- жалпылама координат саны жЩне f–жалпылама импульс кеЈістігініЈ йлшемі. Б±л кеЈістікте бейнелеуіш нЇкте жЇйеніЈ микроскопиялы› кЇйіне сЩйкес келеді. Консервативті жЇйелер Їшін (т±ра›ты) Сонды›тан фазалы› траектория т±ра›ты энергия“а сЩйкес келетін белгілі бір гипербетте жатады.(эргодикалы› бет)
§2. Квантты› жЇйе микрокЇйлері.
Квантты› жЇйелерде p жЩне q аны›талма“анды› принципіне сЩйкес бірден дЩл аны›тала алмайтынды›тан фазалы› кеЈістік ±“ымы дЩл ма“ынасынан айрылады. Сонды›тан квантты› статистикалы› механикада жЇйеніЈ микроскопиялы› кЇйі фазалы› кеЈістік не фазалы› траектория ±“ымдарымен сипаттала алмайды. Сырт›ы Щсерлер т±ра›ты болса, квантты› жЇйе энергияныЈ белгілі бір мЩнімен сипатталатын кЇйлерде болады. Б±л кЇйлер Шредингер теЈдеуін шешу ар›ылы табылады.
(2.1)
-шы кЇйдіЈ тол›ынды› функциясы
-бйлшектіЈ координатасы бойынша Лаплас операторы болса, Гамильтон операторы:
Сонымен, квантты› жЇйелердіЈ кЇйін аны›тау Їшін осы жЇйелер Їшін арнайы ›±рыл“ан Шредингер теЈдеуін шешу керек.
(2.2)
Есепті шешу жалпы жа“дайда мЇмкін емес. Біра› есептіЈ шешімін білу Їшін, -функциясын білу ›ажет емес, жЇйеніЈ –энергия деЈгейлерін біліп, олардыЈ то“ысу дЩрежесін, - квантты› сандар жиынын білсе бол“аны. Шредингер теЈдеуін жуы› тЇрде шешеді. Ал идеал газ Їшін Шредингер теЈдеуін дЩл шы“ару“а болады, ййткені Щсерлеспейтін бйлшектер жЇйесініЈ тол›ынды› функциясын ›±рамында“ы бйлшектердіЈ тол›ынды› функцияларыныЈ кйбейтіндісіне теЈ ›ылып алу“а болады.
.
Ал Щрбір жеке бйлшек Їшін жазыл“ан Шредингер теЈдеуінен табылады:
,
м±нда - бйлшектердіЈ мЇмкін квантты› кЇйлері. Ал - Гамильтон операторы,- U- сырт›ы йріс потенциалы, жеке бйлшек энергиясы:
Мысал есеп: Бйлшектер ›ыры a-“а теЈ кубты› пішінді ыдысты толтырып т±р делік. Осы жЇйе Їшін микрокЇйлер санын табу керек.
Молекулалар бірдей бол“анды›тан, бірдей жа“дайда орналас›анды›тан, олар Їшін жазыл“ан Шредингер теЈдеулері бірдей болады. ОныЈ біреуін шешіп, мЇмкін болатын кЇйлердіЈ бЩрін де аны›тау“а болады. Квантты› механика курсында идеал газ молекула кЇйлері квантты› сандар Їштігімен аны›талатынды“ы айтылады. идеал газ энергиясы
(2.3)
-квантты› сандардыЈ Nжиыны газдыЈ кЇйін толы› аны›тайды. Квантты› кЇйлердіЈ шартты кеЈістігінде б±л- радиусы n0 сфера. Молекула кЇйлерін сипаттайтын Щрбір ›алып›а б±л кеЈістіктіЈ бір нЇктесі сЩйкес келеді. Квантты› сандар оЈ бол“анды›тан, б±л нЇкте бірінші октантте радиусы n0 сфераныЈ ішінде жатыр. (2 сурет)
Сонда . НЇктелер саны сфера кйлеміне пропорционал. КЇйлердіЈ саны ζ.
, V=a3 (2.4)
Ал энергия интервалына сЩйкес келетін кЇй саны:
, (2.5)
dg-ар›ылы йрнектелген шама: Бір бйлшектіЈ еркіндік дЩрежелерініЈ саны Їшке теЈ. Ал еркіндік дЩрежелерініЈ саны одан йзгеше болса, онда жо“арыда“ы формула ›алай жазылар еді? Айталы› кез-келген бас›а еркіндік дЩрежелерініЈ саны f бол“анда, онда dГ фазалы› кйлем элементіне сЩйкес келетін квантты› кЇйлер саны да йзгеше болар еді.
(2.6)
Б±л формула идеал газ молекулаларыныЈ квазиклассикалы› ›оз“алысына сЩйкес келеді.
Идеал газ молекуласыныЈ ілгерілемелі ›оз“алысы квазиклассикалы› болып табылады. Сонды›тан f=3N бол“анды›тан, бір атомды газ Їшін квантты› кЇйлер саны:
, (2.7)
Г- жЇйеніЈ фазалы› кеЈістігініЈ барлы› нЇктелерін ›амтитын фазалы› кйлем. Сонымен есеп шешілді.
Квантты› механикада маЈызды принципі- бйлшектердіЈ ажыратылмаушылы› принципі: ЖаЈа микрокЇйлер бйлшектердіЈ орындарын ауыстыру ар›ылы “ана алынатын болса, ондай микрокЇйлердіЈ ы›тималды“ы бірдей деп есептеуге болады. Сондай ді бір микрокЇй есептеп, барлы› микрокЇйлер тЇрлерінініЈ санын азайтып ›арайды. М±ндай микрокЇйлер саны N!. Сонды›тан
(2.8)
Квантты› бйлшектер статистикасы
Квантты› механикада бірдей бйлшектердіЈ ажыратылмаушылы› принципініЈ та“ы бір маЈызды салдары бар. Сол принцип бойынша бірдей бйлшектерді тЩжірибе жЇзінде ажырату мЇмкін емес. Классикалы› механикада бірдей бйлшектердіЈ координатасы мен импульстары ЩртЇрлі болуы мЇмкін, сонды›тан Щр›айсысыныЈ траекториясын аны›тау“а болады, бірдей бйлшектіЈ жЇйесініЈ заЈдары, ЩртЇрлі бйлшектіЈ жЇйелердіЈ ›оз“алыс заЈдарынан айырмашылы“ы жо›.
Квантты› бйлшекте траектория ±“ымы жо›. ОныЈ кЇйі тол›ынды› функция ар›ылы сипатталады. Тол›ынды› функцияныЈ ы›тималды› ма“ынасы бар: - бйлшектіЈ бір нЇктеде орналасу ы›тималды“ы. Ажыратылмаушылы› принципі бойынша осыдан . Б±л теЈдіктерде (+) таЈбасы болса, тол›ынды› функция симметриялы, (-)- болса- антисимметриялы деп аталады. Квантты› механикада тол›ынды› функцияныЈ симметриялы› ›асиеті уа›ыт йткен сайын йзгермейтіндігі дЩлелденді. Я“ни ›андай да бйлшектер жЇйесі симметриялы тол›ынды› функциямен сипатталса, онда ол болаша›та да сол функциялармен сипатталады. Барлы› бйлшектер екі класс›а бйлінеді. Жартылай спинді бйлшектер антисимметриялы тол›ынды› функциялармен, ал нйлдік не бЇтін спинді бйлшек симметриялы тол›ынды› функциялармен сипатталады. Жартылай спинді бйлшектердіЈ кЇйлерініЈ ы›тималды“ы Ферми-Дирак статистикасына ба“ынады. Оларды фермиондар деп атайды. Ал бЇтін спинмен сипатталатындар кЇйлерініЈ ы›тималды“ы Бозе-Эйнштейн статистикасымен сипатталады, Б±л статистикамен сипатталатын бйлшектер бозондар деп аталады. КЇрделі бйлшектердіЈ (атом ядросы) спині ›±рамына байланысты: олар фермиондардыЈ та› санынан ›±рылса фермиондар, ал ж±п санынан ›±рылса- бозондар болады. Паули принципі. Бірдей бйлшектердіЈ квантты› сандары бірдей болса, олардыЈ тол›ынды› функциясы да симметриялы болады. Екеуінде де орын ауыстыру“а болады. Біра› екеуі фермион болса, олар бірдей кЇйде орналасуы мЇмкін емес, ййткені олардыЈ тол›ынды› функциясы антисимметриялы. Паули фермиондар жЇйесі тек антисимметриялы тол›ынды› функциялармен сипатталатын кЇйлерде кездесетіндігін айтатын принципті т±жырымдайды. Я“ни бірдей кЇйде екі фермион бола алмайды. Біра› бір деЈгейде, бірдей кЇйде болатын бозондар санына шектеу салынбайды.
БйлшектердіЈ тартылу не тебілу Щсері ескерілетін болса, онда жеке дербес бйлшектерді не олардыЈ кЇйлерін зерттеудіЈ орнына т±тас жЇйені зерттеу керек. Біра› кйптеген есептерде жЇйеніЈ ±са› бйліктерге бйлінетіндігін ескеріп, Щрбір бйліктіЈ квантты› кЇйлерін есептеуге болады. Ондай бйліктерге молекулалар, молекула топтары, макроскопиялы› бйліктер жЩне т.б. болуы мЇмкін. Оларды квазитЩуелсіз бйлікше деп атайды. ЖЇйеніЈ микрокЇйлерініЈ квантты› сипаттамасы жЇйені ›±райтын квазитЩуелсіз бйлікшелердіЈ барлы› квантты› кЇйлерініЈ тізімінен ›±рылады. БйлікшелердіЈ йзара Щсері болса, жЇйе уа›ыт йткен сайын бір микрокЇйден екіншісіне кйшіп йте алады. Онда жЇйе кЇйі стационарсыз деп аталады. ЭнергияныЈ дЩл мЩні аны›талма“ан деп есептеуге болады. изара Щсері нашар болса, аны›талма“анды› йте Щлсіз бол“анды›тан энергия мЩні берілген деп есептелуіне болады. Е=Σεі,, εі- квазитЩуелсіз бйлікше энергиясы.
§3. Квантты› кЇйлер санын есептеу.
Статистикалы› физикада энергия мен сырт›ы параметрлері берілген мЩндерінде мЇмкін болатын квантты› кЇйлердіЈ саны жЇйеніЈ маЈызы жо“ары сипаттамасы.
ЖЇйеніЈ энергиясы берілсін: . ЭнергиясыныЈ йзгеру шектері:
МЇмкін квантты› кЇйлер санын есептеу керек. Идеал газ Їшін осы санды табайы›. Квантты› жЇйе микрокЇйлері та›ырыбынан, (2.3) формуласына сЩйкес, бір молекуланыЈ мЇмкін кЇйлерініЈ санын табайы›. , (i=1,2,3) Б±л Їшін квантты› кЇйлер жиыныныЈ шартты кеЈістігін ›арастырайы› (2-сурет). Б±л кеЈістікте координата осьтері болсын. БЇтін мЩндерініЈ Щрбір жиынына нЇкте сЩйкес келеді. Шрбір нЇкте Їшін бір квантты› кЇй сЩйкес келеді. НЇктелер(квантты› кЇйлер) шардыЈ бір октант бйлігіне орналасып т±р. ШардыЈ радиусы:
(3.1)
Сонымен, молекуланыЈ мЇмкін кЇйлерін бейнелейтін нЇктелер радиусы шардыЈ (2-сурет) ішінде бірінші октантта орналас›ан. Сонда ›абыр“асы a жабы› куб пішінді ыдыстыЈ ішінде ›оз“ал“ан n молекуланыЈ квантты› кЇйлер саны (2.4) формуласымен аны›талады:
, м±нда“ы
- мЩні йте Їлкен. Сутегі газы Їшін б±л санды ба“алайы› Р=1атм, Т=273˚К, . Егер V=1см3 болса, г болса, онда . .
Сонымен молекуланыЈ мЇмкін кЇйлері йте кйп. Тіпті энергияныЈ йте кіші интервалында да б±л кЇйлер саны жо“ары болады. энергия интервалына келетін квантты› кЇй саны (2.5) формуласымен аны›талады:
Егер болсын. Б±л жылулы› ›оз“алыс энергиясыныЈ бйлігіндей, онда йте Їлкен сан. Фазалы› кйлем (1.7) формуласымен
Квантты› кЇйлер саны аны›талма“анды› ›атынаспен ›алай байланысты.
; ; ,болса, онда ; ; ; жЩне ; Статистикалы› фазалы› кйлем (1.8) формуласына сЩйкес
Я“ни жо“арыда кйрсетілгендей:
Ал энергиясы интервалда болатын микрокЇйлер саны (1.9) формуласына сЩйкес:
(2.5) формуласына сЩйкес:
Гейзенберг принципі бойынша , сонды›тан квантты› кЇйге фазалы› нЇкте сЩйкес ›ою“а болмайды, ййткені бірі айталы› дЩл аны›талса, екіншісі рі дЩл аны›талмайды. О“ан фазалы› кеЈістіктіЈ нЇктесі орнына ΔГ кйлемі сЩйкес келеді. Б±л кйлем аны›талма“анды›тардыЈ кйбейтіндісіне теЈ. (f) , Біра› ћ=h/(2π) бол“анды›тан, макрожЇйелер Їшін:
(3.2)
орындалады. Ал болатынды›тан, оны элементар квантты› кЇй деп атайды. Сонды›тан dГ фазалы› кйлем элементіне сЩйкес келетін квантты› кЇйлер саны:
(3.3)
квантты› кЇйлердіЈ толы› саны (3.4)
Спин ба“ытын ескергенде квантты› кЇй саны есе арты› болады. саны спин векторыныЈ ЩртЇрлі ориентациясыныЈ саны, s-бйлшектіЈ спинін ескеретін квантты› санын айтамыз. Айталы› болса, ( нейтрон, протон, электрон Їшін) немесе s=1 болса, =3, ал фотондар Їшін спинніЈ екі ориентациясы бар. Сонды›тан s=1 бол“анда . Б±л фотон“а “ана тЩн ерекшелік. Сонды›тан егер де формуланыЈ кймегімен d интервал“а сЩйкес келетін кЇйлерініЈ санын есептеп тапса› б±л д±рыс болмайды. Д±рысында, кЇй саны есе кйп болады.
(3.5)
м±нда a= деп алмастырса›, онда
(3.6)
(3.3) не (3.4) формуласы бйлшектердіЈ ажыратылмаушылы› принципіне сЩйкес келмейтіндігі алдында айтыл“ан. Егер бйлшектер ажыратылмайтын болса, онда бірдей квантты› кЇйлердегі бйлшектерді орын алмастыр“аннан жЇйеніЈ кЇйі йзгермеуі тиіс. Осы кЇйлердіЈ бЩрі- бір микрокЇй деп есептеледі. Бірдей фермиондардан т±ратын жЇйелерде, Паули принципі бойынша, барлы› бйлшектер ЩртЇрлі квантты› кЇйлерде орналасуы ›ажет. Сонды›тан жЇйелердіЈ барлы“ына орта› болатын квантты› кЇйлер санын аны›тау Їшін орта› формула жазу“а болмайды. Онда (3.4) формуланыЈ орнына , ал идеал газдыЈ микрокЇйлерініЈ санын аны›тау Їшін (3.3) формуланыЈ орнына ›олданылуы тиіс. Егер де молекулалар ›оз“алысы классикалы› ›оз“алыс›а жуы› болса , спин жо› деп есептеп кйруге болады.
Сонымен жЇйеніЈ микроскопиялы› кЇйі классикалы› физика т±р“ысынан бейнелеуіш нЇктеніЈ фазалы› кеЈістіктегі орнымен аны›талады, ал квантты› физика т±р“ысынан барлы› микробйлшектердіЈ квантты› сандар жиынымен аны›талады. ЖЇйе уа›ыт йткен сайын бір микроскопиялы› кЇйден екіншісіне йтетін болса, б±л йзгеріс классикалы› физика т±р“ысынан бейнелеуіш нЇктеніЈ фазалы› кеЈістікте орын ауыстыруына сЩйкес келеді, ал квантты› физика т±р“ысынан квантты› сандар жиыныныЈ йзгеруіне себепші болады. Осы“ан сЩйкес жЇйеніЈ параметрлері де мЩндерін йзгертеді.
§4.Статистикалы› ансамбль.
Сонымен жЇйеніЈ микроскопиялы› кЇйі- классикалы› физика т±р“ысынан бейнелеуіш нЇктеніЈ фазалы› кеЈістіктегі орнымен аны›талады. Ал квантты› физика т±р“ысынан барлы› микробйлшектіЈ квантты› сандарыныЈ жиынымен аны›талады.
Енді жЇйедегі процесстердіЈ статистикалы› заЈдылы›тары дегеніміз не? ШртЇрлі микрокЇйлердіЈ ы›тималды“ы бірдей емес. Демек жЇйені сипаттайтын физикалы› шамалардыЈ мЩндерініЈ ы›тималды“ы ЩртЇрлі. Ы›тималды›тарды зерттеу Їшін екі жол бар;
1.Бір жЇйеніЈ ›абылдайтын кЇйлерін белгілеп, ы›тималды“ын есептеу. Ы›тималды“ы жо“ары кЇйде жЇйе ±за“ыра› болады. Сонды›тан Щрбір i-ші кЇйдіЈ ы›тималды“ы
; (4.1)
-i-ші кЇйде болуы уа›ыты; Т- барлы› кЇйден йту уа›ыты.
2.Cондай бірдей жЇйелер жиынын таЈдап алып, Щрбір і-кЇйде ›анша жЇйе (ni) орналас›анды“ын есептеуге болады. Онда ›андай да бір жЇйені берілген i-ші кЇйде табу ы›тималды“ы.
(4.2)
Б±ндай жЇйелер жиынын статистикалы› ансамбль деп атайды.
Классикалы› физикада кЇйлер дискретті емес. ЖЇйе координатасы мен импульсі Їздіксіз мЩндерді ›абылдай береді. ЖЇйе координалары q-ден q+dq аралы“ында“ы, импульсі р-ден р+dр аралы“ында“ы мЩндерді ›абылдайтынды“ыныЈ ы›тималды“ы: болсын. Я“ни бас›а сйзбен айт›анда: dW(q,p)- бейнелеуіш нЇктеніЈ координаталары фазалы› (q,p) кеЈістікте элементінде орналасуыныЈ ы›тималды“ын білдіреді. Ал сол элементінде бейнелеуіш нЇкте dt уа›ыт болсын Бір жЇйе кЇйлерініЈ ы›тималды“ы бейнелеуіш нЇктеніЈ сол кЇйлерге сЩйкес келетін dГ фазалы› кйлемде орналас›ан уа›ыт аралы“ы – dt-“а пропорционал, онда ; Т- ±за› уа›ыт аралы“ы.
Енді осындай жЇйелердіЈ ансамблін ›арастырса›, онда координаталары q жЩне q+dq интервалында жЩне импульстары Р жЩне Р+dР интервалында орналас›ан жЇйелер саны dN болсын. Онда эргодикалы› гипотеза“а сЩйкес
(4.3)
Сонымен dw(q,р) жЇйе кЇйін аны›тайды, жЇйелердіЈ ›андай да бір кЇйде (dГ элементінде) орналасу ы›тималды“ы болып шы›ты:
(4.4)
М±нда ы›тималды›тыЈ ты“ызды“ы, q жЩне p айнымалылардыЈ мЩндерініЈ ы›тималды“ы Їлестірімдік заЈын аны›тайды. Статистикалы› физикада Їлестірімдік функциясы белгілі болса, онда жЇйеніЈ кЇйі мен ›оз“алыс тЩртібін аны›тау“а болады дейді.
Статистикалы› ансамбльді алатын болса›, dW шамасын былай да кйрсетуге болады. «ЖЇйелер ансамблі Їшін ы›тималды›тыЈ Їлестірімділік заЈы, бір жЇйеніЈ кЇйлерініЈ ы›тималды“ындай болады.»
Б±л ереже эргодикалы› гипотеза деп аталады. Ы›тималды› ты“ызды“ы- -статистикалы› Їлестрімдік функциясы деп аталады. Статистикалы› физика есептерінде аны›талатын осы шама. ЖЇйеніЈ сипаттайтын кез- келген L физикалы› шаманыЈ мЩндері де ρ ар›ылы аны›талады, ййткені классикалы› физикада кез- келген L шамасы жалпылама координат пен импульстыЈ функциясы болып табылады. ал б±лар ρ шамасы ар›ылы йрнектеледі.
Сонымен, жо“арыда“ы айтыл“ан аны›тамаларды та“ы бір ›орытындылап алайы›.
Статистикалы› ансамбль дегеніміз – кйп бйлшектерден ›±ралатын бірдей физикалы› жЇйелердіЈ жиынты“ы. Олар бірдей макроскопиялы› кЇйде орналас›анмен, біра› микроскопиялы› кЇйлері бірдей болмауы мЇмкін. Біра› жЇйеніЈ т±тасымен ал“анда“ы кЇйі макроскопиялы› параметрлердіЈ берілген мЩндеріне сЩйкес болуы керек
Статистикалы› ансамбль мысалдары.
1.АнсамбьдіЈ толы› энергиясы йзгермейтін, сырт›ы ортамен, бір-бірімен энергия алмасу болмайтын жЇйелер. Б±ндай жЇйелер жиынты“ын- ГиббстіЈ микроканонды› ансамблі деп атайды.
2.Температурасы т±ра›ты термостатпен жанасатын жЇйелер жиыны -(ГиббстіЈ канонды› ансамблі.)
3.Термостатпен жЩне бйлшектер резервуарымен жанасатын жЇйелер жиыны. (ГиббстіЈ Їлкен канонды› ансамблі.) Статистикалы› ансамбль ±“ымы физикалы› есептерді шешу ма›сатында ы›тималды› теориясыныЈ Щдістерін ›олдану“а мЇмкіндік береді.
Эргодикалы› гипотеза бас›а сйзбен былайша айтылуы мЇмкін:
«ЖЇйені сипаттайтын физикалы› шамалардыЈ уа›ыт бойынша орташа мЩні осы шамалардыЈ орташа статистикалы› мЩніне теЈ.»
Сонымен статистикалы› физиканыЈ негізгі зерттейтін объектісі: статистикалы› ансамбль. Статистикалы› ансамбль- физикалы› жЇйеніЈ теориялы› моделі болып табылады. Оны сипаттайтын негізгі шама- статистикалы› Їлестрімдік функциясы. Статистикалы› физиканыЈ негізгі есебі Їлестрімдік функциясыныЈ кймегімен статистикалы› заЈдылы›тарды зерттеу жЩне жЇйені сипаттайтын физикалы› шамалардыЈ йзара байланыстарын, мЩндерін аны›тау болып табылады.
Достарыңызбен бөлісу: |