6. 量子简并气体理论

6.1 巨正则系综的量子统计

粒子数密度

ng=gV∑k⟨nk⟩=g∫d3k(2π)31z−1eβε(k)−yn_g = \frac{g}{V} \sum_k \langle n_k \rangle = g \int \frac{d^3k}{(2\pi)^3} \frac{1}{z^{-1} e^{\beta \varepsilon(k)} - y}

其中:

  • y=+1y = +1:玻色子
  • y=−1y = -1:费米子
  • ε(k)=ℏ2k22m\varepsilon(k) = \frac{\hbar^2 k^2}{2m}

能量密度

εg=g∫d3k(2π)3ε(k)1z−1eβε(k)−y\varepsilon_g = g \int \frac{d^3k}{(2\pi)^3} \varepsilon(k) \frac{1}{z^{-1} e^{\beta \varepsilon(k)} - y}

压强关系

βPg=−g(2π)3∫d3kln⁡(1−yze−βε(k))\beta P_g = -\frac{g}{(2\pi)^3} \int d^3k \ln(1 - y z e^{-\beta \varepsilon(k)})

6.2 费米简并气体

零温性质

  1. 费米动量:

    kF=(3π2ng)1/3k_F = (3\pi^2 n_g)^{1/3}

  2. 费米能:

    εF=ℏ2kF22m\varepsilon_F = \frac{\hbar^2 k_F^2}{2m}

  3. 基态能量:

    εg(T=0)=35ngεF\varepsilon_g(T=0) = \frac{3}{5} n_g \varepsilon_F

低温展开(T≪TFT \ll T_F)

使用索末菲展开:

fm−(z)=(ln⁡z)mΓ(m+1)[1+π26m(m−1)(ln⁡z)2+⋯ ]f_m^-(z) = \frac{(\ln z)^m}{\Gamma(m+1)} \left[ 1 + \frac{\pi^2}{6} \frac{m(m-1)}{(\ln z)^2} + \cdots \right]

主要结果:

  1. 化学势:

    μ≈εF[1−π212(kBTεF)2+⋯ ]\mu \approx \varepsilon_F \left[ 1 - \frac{\pi^2}{12} \left( \frac{k_B T}{\varepsilon_F} \right)^2 + \cdots \right]

  2. 内能:

    εg=35ngεF[1+5π212(kBTεF)2+⋯ ]\varepsilon_g = \frac{3}{5} n_g \varepsilon_F \left[ 1 + \frac{5\pi^2}{12} \left( \frac{k_B T}{\varepsilon_F} \right)^2 + \cdots \right]

  3. 热容量:

    CV=π22NkBkBTεF+O(T3)C_V = \frac{\pi^2}{2} N k_B \frac{k_B T}{\varepsilon_F} + \mathcal{O}(T^3)

物理诠释

  • T=0T=0 时存在有限压强(量子压力)
  • 热容量与温度线性相关:CV∝TC_V \propto T
  • 只有 ∼T/TF\sim T/T_F 比例的粒子参与热激发

6.3 玻色-爱因斯坦凝聚

玻色积分性质

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

  • 收敛条件:m>1m > 1 且 z≤1z \leq 1
  • 特殊值:f3/2+(1)=ζ(3/2)≈2.612f_{3/2}^+(1) = \zeta(3/2) \approx 2.612

临界现象

  1. 激发态粒子密度上限:

    n∗=gλ3ζ(3/2)n^* = \frac{g}{\lambda^3} \zeta(3/2)

  2. 临界温度:

    Tc=2πℏ2mkB(nggζ(3/2))2/3T_c = \frac{2\pi \hbar^2}{m k_B} \left( \frac{n_g}{g \zeta(3/2)} \right)^{2/3}

  3. 凝聚体密度:

    n0=ng[1−(TTc)3/2](T<Tc)n_0 = n_g \left[ 1 - \left( \frac{T}{T_c} \right)^{3/2} \right] \quad (T < T_c)

玻色-爱因斯坦凝聚特征

温度范围 行为
T>TcT > T_c 正常玻色气体
T=TcT = T_c 凝聚开始形成
T<TcT < T_c 宏观占据基态 (k=0k=0)

6.4 积分计算技术

无量纲化处理

令 x=βε(k)=βℏ2k22mx = \beta \varepsilon(k) = \beta \frac{\hbar^2 k^2}{2m},则:

k2dk=(2m)3/222ℏ3xdxk^2 dk = \frac{(2m)^{3/2}}{2\sqrt{2} \hbar^3} \sqrt{x} dx

玻色积分展开

fm+(z)=∑α=1∞zααmf_m^+(z) = \sum_{\alpha=1}^{\infty} \frac{z^\alpha}{\alpha^m}

费米积分展开

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

6.5 量子经典对应

简并参数

η=ngλ3\eta = n_g \lambda^3

区域 条件 行为
经典区 η≪1\eta \ll 1 满足经典统计
量子区 η∼1\eta \sim 1 显著量子效应
简并区 η≫1\eta \gg 1 强量子行为

状态方程对比

气体类型 状态方程
经典理想气体 PV=NkBTPV = Nk_B T
费米气体 P=25ngεF[1+⋯ ]P = \frac{2}{5} n_g \varepsilon_F [1 + \cdots]
玻色气体 P=ζ(5/2)ζ(3/2)kBTλ3[1+⋯ ]P = \frac{\zeta(5/2)}{\zeta(3/2)} \frac{k_B T}{\lambda^3} [1 + \cdots]