В квантовой физике тождественные (т. е. имеющие одинаковые заряд, массу, спин) частицы неразличимы. Это приводит к специфике в свойствах частиц, описываемых симметричными и антисимметричными волновыми функциями. Частицы, имеющие нулевой или целочисленный спин (фотоны, фононы) описываются симметричными волновыми функциями. Эти частицы называются бозонами. Их число в элементарной ячейке фазового пространства неограниченно. Частицы с полуцелым спином (электрон, протон, нейтрон) описываются антисимметричными волновыми функциями и подчиняется принципу Паули. Эти частицы называются фермионами. В состоянии, которое характеризуется одним и тем же набором квантовых чисел, может находиться только один фермион. Таким образом, в одной элементарной фазовой ячейке может находиться два фермиона с противоположно направленными спинами.
Для описания квантовых подсистем применение распределения Гиббса позволяет определить вероятность нахождения го состояния квантовой подсистемы с энергией по формуле: где свободная энергия квантовой подсистемы. Ее величину можно найти из условия нормировки функции .
Распределение Гиббса описывает распределение вероятности различных состояний подсистемы, составляющей малую квазинезависимую часть произвольной системы, находящейся в состоянии статистического равновесия, поэтому температура характеризует также свойства подсистемы – термостата, а не только системы ().
Дискретный характер распределения энергии частиц в квантовой механике приводит к наличию некоторого количества состояний , соответствующих элементу фазового пространства: где плотность состояний (число дискретных квантовых состояний в единице объема фазового пространства), определяемая по формулам (3,4).
Для изолированной системы пренебрегают энергией взаимодействия между подсистемой и системой (термостатом). Однако в силу закона сохранения энергии, энергия подсистемы однозначно связана с энергией термостата.
Согласно первому началу термодинамики при условии постоянства частиц в системе изменение внутренней энергии квазизамкнутой подсистемы возможно в результате изменения ее температуры и совершения ею работы: . Для обратимых процессов с учетом второго начала термодинамики изменение энергии подсистемы определяется как , где dS – изменение энтропии.
Если число частиц в подсистеме изменяется, то при расчете следует учесть также увеличение (уменьшение) внутренней энергии, связанное с увеличением (уменьшением) числа ее частиц , т.е. где химический потенциал. Химический потенциал численно равен увеличению внутренней энергии термоизолированной равновесной подсистемы при увеличении числа ее частиц на единицу. Если объем и энтропия не изменяются ( ) то , или
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.