тарау. Статистикалық физика пəнi, оның мақсаты, əдiстерi мен əдiстемелерi

тарау. Статистикалық физика пəнi, оның мақсаты, əдiстерi мен əдiстемелерi

§1.Статистикалық физика пəні жəне оның əдістері

Статистикалық физика өте көп бөлшектерден: атомдардан, молекулалар мен иондардан жəне т.б. тұратын жүйелердi зерттейдi.

Статистикалық физиканың негiзгi мақсаты жүйенiң макроскопиялық қасиеттерi мен осы жүйенi құрайтын микробөлшектердiң қозғалыс заңдарының арасындағы байланысты тағайындау.

Статистикалық заңдылықтар физикалық шамалардың орта мəндерi мен берiлген басқа да мəндерiнiң ықтималдығын бағалауға мүмкiндiк бередi. Яғни статистикалық физиканың негiзгi əдiстемесi ықтималдық теориясына негiзделген статистикалық əдiс болып табылады.

Статистикалық физика ең алдымен термодинамикамен байланысты. Микроскопиялық жүйелер тепе-теңдiк жағдайында болғандағы статистикалық физика тағайындаған шамалардың орта мəнi термодинамика заңдарына сəйкес келетiндiгi анықталды. Демек, статистикалық физика термодинамикалық заңдылықтардың теориялық негiзi болып табылады. Сондықтан тепе- теңдiктегi жүйелердiң статистикалық физикасы статистикалық термодинамика деп те аталады.

Тек статистикалық физика ғана температура, энтропия, еркiн энергия сияқты термодинамикалық параметрлердi түсiндiре алды.

Статистикалық термодинамика жүйелердiң күйлерi мен микроскопиялық қасиеттерi арасындағы байланысты тағайындай отырып, əртүрлi жүйелердiң термодинамикалық функцияларын есептеуге мүмкiндiк бердi.

Физикалық құбылысты сипаттауға жүйенiң қандай моделi пайдалануына байланысты статистикалық физика кванттық жəне классикалық статистика болып екiге бөлiнедi. Микробөлшектiң күйi мен қозғалысы тек кванттық механикада ғана толық сипатталатын болғандықтан кванттық статистика классикалық статистикаға қарағанда толық жəне дəл теория болып табылады.

Қазiргi статистикалық физика материяның молекула – кинетикалық теориясы негiзiнде құрылды. Сондықтан ұзақ уақытқа дейiн статистикалық физиканы молекула – кинетикалық теория деп атап та жүрдi.

Кинетикалық теория XIX ғасырдың екiншi жартысында тез дами бастады. Клаузиус, Максвелл, Больцман еңбектерi нəтижесiнде газдардың кинетикалық теориясы тағайындалды.

1857 жылы Р. Клаузиустың «Бiз жылу деп атайтын қозғалыстың табиғаты жайында» деп аталатын еңбегi жарияланды. Бұл еңбекте жылу энергиясының молекулалар қозғалысының кинетикалық энергиясы екендiгi дəлелдендi. Ал 1859 жылы Клаузиус келесi статьяда газдардағы молекуланың еркiн жүру ұзындығы ұғымын енгiзiп, осының негiзiнде жылу өткiзгiштiк жəне iшкi үйкелiс құбылыстарын түсiндiрдi.

Клаузиус еңбектерiмен жете танысқан ағылшын физигi Дж. К. Максвелл 1859 жылы Лондондағы Король қоғамында «Газдардың динамикалық теориясын бейнелеу» деп аталатын баяндама оқыды. Мұнда қазiр оның атымен аталатын молекулаларды жылдамдық бойынша үлестiру заңы тағайындалды.

1868-1871 жылдары Больцман молекулалардың жылдамдық бойынша үлестiруiн идеал газдардың сыртқы өрiске орналастыру жағдайына жалпылап белгiлi Больцман үлестiруiн қорытып шығарды. Больцман үлестiруi барометрлiк өрнекте, газдардағы диполданған бағытталу теориясында, молекулалық өрiс əдiстерi теориясында, басқа да маңызды тарауларда пайдаланыладыф.

Термодинамиканың атомдық теориясын тек идеал газдар үшiн ғана емес, бөлшектерi өзара күштi əсерлесетiн сұйықтар мен қатты денелерге қолдану үшiн, статистикалық əдiстi дамыту нəтижесiнде Уиллард Гиббс канондық үлестiру мен ансамблдер əдiсiн тағайындады. Гиббс сонымен қатар термодинамиканың бiрiншi жəне екiншi бастамаларын канондық үлестiруден шығарып алуға болатындығын көрсеттi.

Статистикалық физиканың термодинамикадан негiзгi айырмашылығы – термодинамика физикалық құбылыстарды сипаттайды да, құбылыстың шығу себебiн ашып түсiндiрмейдi. Ал

сипаттау дегенiмiз құбылысты ғылыми зерттеудiң тек алғашқы қадамы. Одан кейiн мiндеттi түрде физикалық құбылыстың болу себебiн қарастыру қажет. Мұндай қадамды тек статистикалық физика ғана жасай алды.

Статистикалық физиканың көмегiмен алынған заттардың құрылысы мен қасиеттерi жайындағы деректер дүниенiң обьективтi бейнесiн құруға көмектестi. Заттардың құрылысы жайындағы түсiнiктердi дамыта отырып статистикалық физика бiздi қоршаған əлемнiң шынайы заңдылықтарын тағайындауға мүмкiндiк бередi. Осы жолда статистикалық физика заттарды құрайтын қарапайым бөлшектердiң көптеген жаңа қасиеттерiн де тағайындады.

Физикалық обьектiнi құрайтын микробөлшектердiң саны өте көп болғандықтан олардың қасиеттерi мен характеристикаларының орта шамалары ғана қарастырылады. Бұл бiзге физикалық дененi сипаттайтын тығыздық, қысым, температура сияқты кейбiр макроскопиялық параметрлердi енгiзiп, заттың микроструктурасына терең үңiлмеуге мүмкiндiк бередi. Мұндай микроскопиялық параметрлердi енгiзiп қана қоймай олардың мəндерiн анықтауға тəжiрибелiк деректердi пайдалану қажет. Бiрақ бұл тəжiрибелiк заңдар негiзiнде толықтырылған физикалық теориялар құруға кедергi болмайды. Тiптi кейбiр жағдайларда жалпы тəжiрибелiк деректерге, заңдарға жəне сипаттауларға негiзделген теориялардың пайдалану өрiсi кең де болады.