热力学与统计物理课后习题答案第六章

温柔似野鬼°
894次浏览
2021年02月21日 02:24
最佳经验
本文由作者推荐

-

2021年2月21日发(作者:好听的英文歌推荐)


第


六


章




近


独


立


粒


子


的


最


概


然


分


布




6.1


试 根据式(


6.2.13


)证明:在体积


V


内,在



到


ε


+


d


ε


的能 量


范围内,三维自由粒子的量子态数为



1


3


2



V


D





d




3



2


m



2



2


d

< br>


.



h



解


:


式(


6 .2.13


)给出,在体积


V



L


3


内,在


p


x


到


p


x

< p>


d


p


x


,


p


y


到

p


y



d


p


y


,


p


x< /p>


到


p


x



d


p


x


的动量范围内 ,自由粒子可能的量子态数为



V


< /p>


d


p


x


d


p


y


d


p

< p>
z


.



(


1


)



h


3


用动量空间的球坐标描述自由粒子的动 量,


并对动量方向积分,


可得


在体积< /p>


V


内,动量大小在


p

到


p



d


p


范围内三维自由粒子可能的量子


态数为




4


π


V


2


p


d


p


.



(


2


)



3


h


上式可以理解为将


空间体积元


4



Vp


2


d


p

< br>(体积


V


,动量球壳


4


π


p


2


d


p


)


除以相格大小


h


3


而得到的状态数


.



自由粒子的能量动量关系为



p


2




.



2


m


因此


< /p>


p



2


m



,



p

< p>
d


p



md



.


将上式代入式(


2


)


,即得在体积


V


内,在



到




d



的能量范围内,


三维自由粒子的量子态数为





6.2


试证明,对于一 维自由粒子,在长度


L


内,在



到




d

< p>


的


能量范围内,量子态数为


D





d




2< /p>


L



m





d


< p>
.



h



2




1

2


1


3


2


π


V


D


(


< /p>


)d




3



2


m



2



2


d



.



(


3


)



h



解


:


根据式(


6.2.14


)


,一维自由粒子在



空间体积元


d


x


d


p


x


内可能


的量子态数为



d


x


d


p


x


.


h


在长度


L

内,动量大小在


p


到


p

< p>


d


p


范围内(注意动量 可以有正负两


个可能的方向)的量子态数为




将能量动量关系


< br>p


2





2


m


2


L


d


p


.



(


1


)



h


代入,即得





6.3


试证明,


对于二维的自由粒子,


在面积


L


2


内,


在



到



d



的


能量范围内,量子态数为< /p>



2


π


L


2


D



< p>


d




2


md



.

< br>


h


D





d




2


L



m





d



.



(


2


)



h



2




1


2



解


:


根据式(


6.2.14


)


,二维自由粒子在



空间体积元


d


x


d


y


d


p


x


d


p


y


内


的量子态数为




1


d


x


d


y< /p>


d


p


x


d


p


y


.



(


1


)



2


h


用二维动量空间的极坐标


p


,



描述粒子的动量,< /p>


p


,



与


p


x


,


p

< p>
y


的关系


为


< p>
p


x



p


cos



,


p


y



p


sin



.



用极坐标描述时,二维动量空间的体积元为


< br>p


d


p


d



.



在面积


L


2


内,动量大小在


p


到


p



d

< br>p


范围内,动量方向在



到




d



范


围内,二维自由粒子可能的状态数为




L


2


p


d


p


d



.



(


2


)



2


h


对


d



积分,从


0


积分到< /p>


2


π


,有




维自由粒子可能的状态数为




将能量动量关系


< br>2



0


d




2


π


.



可得在面积


L


2


内,动量大小在


p


到


p



d


p

< br>范围内(动量方向任意)


,二


2


π


L


2


p


d< /p>


p


.



(


3


)



2


h


p


2





2


m


代入,即有





6.4


在极端相对论情形下,粒子的能量动量关系为





cp


.

< br>


2


π


L


2


D





d




2


m


d



.



(


4


)



h


试求在体积


V


内 ,在



到的能量范围内三维粒子的量子态数

.



解


:


式(


6.2.16


)已给出在体积

V


内,动量大小在


p


到

< p>
p



d


p


范围


内三维自由粒子可能的状态数为




4



V


2


p


d


p


.



(


1


)



h


3


将极端相对论粒子的能量动量关系





cp


< /p>


代入,可得在体积


V


内,在



到



< br>d



的能量范围内,极端相对论粒


子的量子态数为





6.5


设系统含有两种粒子,其粒子数分别为


N


和


N



.


粒子间的


相互作用很弱,

< br>可以看作是近独立的


.


假设粒子可以分辨,

< p>
处在一个


个体量子态的粒子数不受限制


.


试证明,


在平衡状态下两种粒子的最


概然分布 分别为



D





d



< /p>


4


π


V



ch



2



d



.



(


2


)



3

-


-


-


-


-


-


-


-