5. 量子理想气体理论

5.1 量子系综理论

微正则系综

ρ^micro=1Ω(E)∑n∣En⟩⟨En∣δEn,E\hat{\rho}_{\text{micro}} = \frac{1}{\Omega(E)} \sum_n |E_n\rangle\langle E_n| \delta_{E_n,E}

其中 Ω(E)\Omega(E) 是能量 EE 的简并度

正则系综

ρ^can=1Ze−βH^=1Z∑ne−βEn∣En⟩⟨En∣\hat{\rho}_{\text{can}} = \frac{1}{Z} e^{-\beta \hat{H}} = \frac{1}{Z} \sum_n e^{-\beta E_n} |E_n\rangle\langle E_n|

巨正则系综

ρ^grand=1Ξe−β(H^−μN^)\hat{\rho}_{\text{grand}} = \frac{1}{\Xi} e^{-\beta(\hat{H} - \mu \hat{N})}

其中巨配分函数:

Ξ(T,V,μ)=∑N=0∞eβμNZ(T,V,N)\Xi(T, V, \mu) = \sum_{N=0}^{\infty} e^{\beta \mu N} Z(T, V, N)

5.2 理想量子气体的巨正则处理

基本假设

  1. 无相互作用粒子:H^=∑i=1Np^i22m\hat{H} = \sum_{i=1}^N \frac{\hat{p}_i^2}{2m}
  2. 占据数表象处理全同粒子:
    • 玻色子 (y=+1y=+1)
    • 费米子 (y=−1y=-1)

热力学势

βPg=gλ3f5/2y(z)\beta P_g = \frac{g}{\lambda^3} f_{5/2}^y(z)

ng=gλ3f3/2y(z)n_g = \frac{g}{\lambda^3} f_{3/2}^y(z)

εg=gλ332f5/2y(z)=32βPg\varepsilon_g = \frac{g}{\lambda^3} \frac{3}{2} f_{5/2}^y(z) = \frac{3}{2} \beta P_g

其中:

  • gg:自旋简并度
  • λ=h2πmkBT\lambda = \frac{h}{\sqrt{2\pi m k_B T}}:热波长
  • z=eβμz = e^{\beta\mu}:逸度
  • fmy(z)f_m^y(z):量子统计积分

量子统计积分

fmy(z)=1Γ(m)∫0∞xm−1dxz−1ex−yf_m^y(z) = \frac{1}{\Gamma(m)} \int_0^{\infty} \frac{x^{m-1} dx}{z^{-1}e^x - y}

展开形式:

fmy(z)=∑α=1∞yα−1zααmf_m^y(z) = \sum_{\alpha=1}^{\infty} y^{\alpha-1} \frac{z^{\alpha}}{\alpha^m}

5.3 高温(经典)极限

展开条件

当 z→0z \to 0(低密度、高温):

fmy(z)≈z+yz22m+z33m+yz44m+⋯f_m^y(z) \approx z + y \frac{z^2}{2^m} + \frac{z^3}{3^m} + y \frac{z^4}{4^m} + \cdots

状态方程

一级近似(经典理想气体):

βPg≈gλ3z=ng\beta P_g \approx \frac{g}{\lambda^3} z = n_g

⇒PV=NkBT\Rightarrow PV = N k_B T

二级修正:

βPg=ng[1+yngλ3g25/2+O(ng2)]\beta P_g = n_g \left[ 1 + y \frac{n_g \lambda^3}{g 2^{5/2}} + \mathcal{O}(n_g^2) \right]

量子统计 状态方程修正
费米子 (y=−1y=-1) 有效排斥
玻色子 (y=+1y=+1) 有效吸引

5.4 量子简并现象

简并条件

当 ngλ3∼1n_g \lambda^3 \sim 1 时量子效应显著:

  • 费米简并:T≪TF=ℏ22mkB(3π2ng)2/3T \ll T_F = \frac{\hbar^2}{2mk_B}(3\pi^2 n_g)^{2/3}
  • 玻色-爱因斯坦凝聚:T<Tc=2πℏ2mkB(nggζ(3/2))2/3T < T_c = \frac{2\pi\hbar^2}{mk_B} \left( \frac{n_g}{g\zeta(3/2)} \right)^{2/3}

零温极限

  1. 费米气体:

    EF=ℏ22m(3π2ng)2/3E_F = \frac{\hbar^2}{2m}(3\pi^2 n_g)^{2/3}

    εg(T=0)=35EFng\varepsilon_g(T=0) = \frac{3}{5} E_F n_g

  2. 玻色气体:

    ngλ3=gζ(3/2)(T=Tc)n_g \lambda^3 = g\zeta(3/2) \quad (T=T_c)

    当 T<TcT<T_c 时出现玻色-爱因斯坦凝聚

5.5 积分表示与计算

积分变换

fmy(z)=1Γ(m)∫0∞xm−1∑α=1∞(yze−x)αdxf_m^y(z) = \frac{1}{\Gamma(m)} \int_0^{\infty} x^{m-1} \sum_{\alpha=1}^{\infty} (y z e^{-x})^{\alpha} dx

数值计算

引入无量纲变量 x=βℏ2k2/2mx = \beta \hbar^2 k^2 / 2m:

βPg=−gλ3⋅4π∫0∞dx x1/2ln⁡(1−yze−x)\beta P_g = -\frac{g}{\lambda^3} \cdot \frac{4}{\sqrt{\pi}} \int_0^{\infty} dx\ x^{1/2} \ln(1 - y z e^{-x})

特殊函数

函数 定义 性质
fm+(z)f_m^+(z) 玻色积分 f3/2+(1)=ζ(3/2)≈2.612f_{3/2}^+(1) = \zeta(3/2) \approx 2.612
fm−(z)f_m^-(z) 费米积分 f3/2−(∞)=32ζ(3/2)f_{3/2}^-(\infty) = \frac{3}{2} \zeta(3/2)