近独立粒子的最概然分布
常见的三种最概然分布分别为:
- 麦克斯韦-玻尔兹曼分布
- 费米-狄拉克分布
- 玻色-爱因斯坦分布
那么为什么会存在三种不同的最概然分布呢?
事实上,这三种分布分别对应了三种不同的粒子。
首先是经典粒子:最早自德谟克里特时代,大部分科学家都认为,粒子有着清晰的边界,不同的粒子之间是可以相互区分的,因此,在麦克斯韦-玻尔兹曼分布中存在着一个重要的前提假设:
粒子是可分辨的
但今天随着量子力学的发展我们知道,粒子本质上是概率波,很多情况下存在无法分辨的情况,因此随后提出了基于这一假设的费米子和玻色子。
1925年,在玻尔提出原子轨道模型后,成功地解释了氢原子的光谱问题,但在对多电子原子的光谱进行解释时面对着巨大困难。理论上,基态原子的所有电子都应该处于最低能级,但实际结果与这一论断大相径庭。
随后,泡利进行了思考,并提出了革命性的理论:
在同一原子中,不可能有两个或两个以上的电子拥有完全相同的一组量子数
也就是 “泡利不相容原理”。
依据粒子是否符合泡利不相容原理,又可以分为费米子与玻色子。但二者均基于同一假设:
粒子是不可分辨的
接下来,我们一个一个来看。
麦克斯韦-玻尔兹曼分布
首先需要明确几个基础知识:
等概率原理:孤立系统的所有微观状态出现的概率相等。
例如:四个粒子所在的能级分别为$1,2,0,0$,那么其微观状态为:$(1,2,0,0)$
那么对应的,系统处于某个微观状态 $i$ 的概率 $P_i$ 与该状态下的微观状态数 $\Omega _R(E_{total}-E_i)$ 成正比。(一个能量可能对应多个微观状态)
热库的熵
一般用 $S_R$ 来表示热库的熵,其与微观状态数的关系为:
其中的 $k$ 为玻尔兹曼常数。
那么对应能量 $E_i$ 的熵为:$S_R=\ln \Omega_R(E_{total}-E_i)$