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经典统计力学

统计系综:微正则与正则

研究小系统与热浴交换能量的模型:解除孤立约束后,微观态概率遵循玻尔兹曼分布 Pr∝e−βErP_r\propto e^{-\beta E_r}(其中 β=1/(kBT)\beta=1/(k_BT))而非均等。改变温度,观察分布在两种系综极限之间过渡。

进阶

器材

  • 三维画布上浸在热浴中的小系统
  • 温度滑块 T(归一化)
  • 模型参数滑块
  • 微观态概率的定量图

实验步骤

  1. 观察能量交换

    在图1中将 T 设为中值:小系统的粒子不断与周围热浴交换能量——这是正则系综(固定 T、V、N)的条件,区别于孤立的微正则系综(固定 E、V、N)。

  2. 读取分布随温度的变化

    在图2中降低温度:概率堆积到最低能微观态。升高 T:高能态按 e−βEe^{-\beta E} 被占据;T→∞T\to\infty 时分布趋于平坦——接近允许能量窗口内的微正则极限。

  3. 估算配分函数并预测

    利用归一化读数:T 升高时总权重 Z=∑re−βErZ=\sum_r e^{-\beta E_r} 变小,因为高能态贡献更多。移动参数滑块改变能级间距,预测对数分布的斜率再与图对照。

模拟

实验历史

约西亚·威拉德·吉布斯在《统计力学基本原理》(1902年)中奠定形式基础:他把统计系综定义为同一系统的概念性副本集合——孤立系统对应微正则系综,与热浴接触的系统对应正则系综——它是计算宏观平均的工具而非实体。 状态的概率观点更早:路德维希·玻尔兹曼在19世纪70年代把熵与微观态数联系为 S=kBln⁡WS=k_B\ln W,詹姆斯·麦克斯韦1860年给出速度分布。玻尔兹曼的遍历假说——长轨道均匀采样能量面——是为微正则系综均匀性辩护的首次尝试。

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