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系综理论的基本概念与系综的分类


实验室k / 2018-11-10

       经典的近独立粒子系统统计理论的统计对象是粒子,强调讨论体系中粒子的特性,观测不同能级下粒子的分布,分析粒子在不同微观运动状态下的统计规律,等等。而系综理论与经典的近独立粒子系统统计理论不同,系综理论的统计对象将不是各个单粒子态的分布,而转为统计在某一宏观状态下系统内各微观态的分布,因为每一微观态都可看作是在讨论系统中一定宏观条件下的一个系统,在这个系统内具有大量的微观状态完全相同的粒子,这样的系统称作样本系统,所有样本系统均属于整个系统,故而实际统计的是大量的样本系统,只是这些样本系统处在不同的微观态而已。称这一大群样本系统的集合叫做统计系综,简称系综。因此系综实际上就是所讨论系统内所有可能的微观状态的集合。

       对于系综理论,讨论时应注意三个基本假设:
       (1)构成系综的样本系统的数目应足够大,足以代表系综各种可能出现的微观状态,并可反映这些微观状态的出现几率。
       由于每一样本系统内均含有大量性质相同的粒子,而构成系综的样本系统的数目又足够大,故而系综理论与经典的近独立粒子系统统计理论一样,其讨论的第一先决条件是具有大量的讨论粒子。
       (2)讨论系综理论的基本方法同样是概率理论。系综理论要求讨论系统具有大量性是为了可以正确地反映讨论系统内各个微观状态的出现几率。而概率理论对讨论系统的最基本要求是随机性。因此系综理论与经典的近独立粒子系统统计理论一样要求讨论系统满足随机性要求。随机性即无序性,亦就是系综理论与经典的近独立粒子系统统计理论一样要求讨论系统满足无序性要求。
       (3)系综理论与经典的近独立粒子系统统计理论一样,统计理论计算的结果——统计平均值即为讨论系统的宏观力学量。因此,系综理论与经典的近独立粒子系统统计理论一样,要求讨论系统满足统计平均性。
       满足大量性、随机性和统计平均性的讨论系统只是气体,液体的微观结构内存在着近程有序特性,固体的微观结构内存在着有序特性。因此液体、固体不能满足系综理论的随机性和统计平均性要求,原则上不适合以系综理论讨论液体和固体,较适用讨论液体情况的是径向分布函数理论。由于经典的近独立子系理论对粒子的基本设定为粒子间相互作用可以忽略不计,而系综理论对粒子的基本设定为粒子间相互作用可以存在。因此在所讨论系统都可满足大量性、随机性和统计平均性的基本条件情况下经典的近独立子系理论应适合于理想气体的讨论,而系综理论应适用于理想气体和实际气体的讨论。
       当然,在近代统计力学理论中亦有介绍将系综理论应用于液体的情况,这是由于液体在微观结构内除存在着近程有序特性之外,还存在有分子运动的随机性和无序性。我们需要强调的是应用统计力学理论时应注意其允许讨论的前提。
       若是得到分布函数的具体形式,即可求得物理量的平均值。但是系统宏观条件会有不同,这会影响微观态的分布,不同的宏观条件会形成不同的系综,常用有三种系综,与其相应,亦有三种系综分布函数。
       (1)微正则系综:一群保守的、孤立的或近似孤立的相同系统的集合称作微正则系综。其宏观条件中总能量、粒子总数和体积应恒定,即:△U=0,△N=0,△V=0
       也就是说,这种系综适用于与外界没有能量交换和粒子交换的孤立(隔离)系统。
       (2)正则系综:一群与一个大热源相接触并处于热平衡的相同系统的集合被称作正则系综。其宏观条件是温度、粒子总数和体积恒定,而能量有变化,即:△T=0,△N=0,△V=0,△U≠0
       这种系综适用于与环境只有能量交换的封闭系统。
       (3)巨正则系综:一群与一热源和粒子源有能量交换和粒子交换,并处于平衡的相同系统的集合被称作巨正则系综。其宏观条件是温度和体积恒定,有一定的化学势,但能量和粒子数有变化。即:△T=0,△μ=0,△V=0,△U≠0,△N≠0
       这种系综适用于与环境有能量也有物质交换的敞开系统。
       统计物理理论指出,巨正则系综分布函数具有普遍意义,在理论上具有代表性,正则分布函数和微正则分布函数都可以从巨正则分布函数直接导出,由此可知,正则分布及微正则分布是巨正则分布在一定条件下的特殊情况。


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