玻色子与费米子.ppt

§18-9 统计物理学的基本概念

粒子：指组成宏观物质系统的基本单元。
例：气体中的分子
金属中的离子和电子
辐射场中的光子
粒子的运动状态是指它的力学运动状态。
运动状态是不同的。
形象描述：
微观粒子的全同性原理
2. 系统微观运动状态的量子力学描述
微观粒子的波粒二相性（微观世界的基本特征）
不确定性关系
微观粒子不是轨道运动
全同的微观粒子不可分辨
量子力学如何描述系统的微观粒子运动状态？
全同的粒子可以分辨
全同的粒子不可分辨
确定每一个量子态上的粒子数
确定每一粒子的量子态
（1924年，印度人玻色（Bose）首次提出）
（定域系统）
（非定域系统）
一个简单规则（几乎普遍适用）：
由玻色子构成的复合粒子是玻色子；
由偶数个费米子构成的复合粒子是玻色子；
由奇数个费米子构成的复合粒子是费米子。
b）玻色子：自旋量子数为整数的粒子。
如：光子、介子等。
a）费米子：自旋量子数为半整数的粒子。
如：电子、质子、中子等。
玻色子与费米子
例子：
费米子遵从泡利不相容原理:
在含有多个全同近独立费米子的系统，占据一个个体量子态的费米子不可能超过一个。
玻色子构成的系统不受泡利不相容原理的约束。
、玻色系统、费米系统
玻耳兹曼系统:
由可分辨的全同近独立粒子组成；
特点：处在一个个体量子态上的粒子数不受限制。
玻色系统:
由不可分辨的全同近独立的玻色粒子组成；
特点：不受泡利不相容原理的约束，即处在同一个个体量子态上的粒子数不受限制。
费米系统:
由不可分辨的全同近独立的费米粒子组成；
特点：受泡利不相容原理的约束，即处在同一个个体量子态上的粒子数最多只能为1个粒子。
设系统由两个粒子组成，粒子的个体量子态有3个，如果这两个粒子分属玻耳兹曼系统、玻色系统、费米系统时，试分别讨论系统各有那些可能的微观状态？
量子态1
量子态2
量子态 3
1
AB
2
AB
3
AB
4
A
B
5
B
A
6
A
B
7
B
A
8
A
B
9
B
A
对于玻尔兹曼系统（定域系统）可有9种不同的微观状态：
量子态1
量子态2
量子态3
1
AA
2
AA
3
AA
4
A
A
5
A
A
6
A
A
对于玻色系统，可以有6种不同的微观状态：
量子态1
量子态2
量子态3
1
A
A
2
A
A
3
A
A
对于费米系统，可以有3个不同的微观状态：
粒子类别
量子态1
量子态2
量子态3
玻耳兹曼系统
A B
A B
A B
A
B
B
A
A
B
B
A
A
B
B
A
玻色系统
A A
A A
A A
A
A
A
A
A
A
费米系统
A
A
A
A
A
A
分属玻耳兹曼系统、玻色系统和费米系统的两个粒子占据三个量子态给出的微观状态数
经典统计力学
在经典力学基础上建立的统计物理学称为经典统计力学。
量子统计力学
在量子力学基础上建立的统计物理学称为量子统计力学。
两者在统计上的原理上相同，区别在于对微观粒子的描述。
力学（经典力学或量子力学）+统计学原理=统计力学（统计物理学）
三、等概率原理
系统的宏观状态：指热力学中讨论的系统的状态，即热力学宏观态，由
一组参量表示，如总粒子数N、总能量U、体积V。
为了研究系统的宏观性质，没必要也不可能追究微观状态的复杂变化，
只要知道各个微观状态出现的概率，就可以用统计方法求微观量的统计平均
值。因此，确定各微观状态出现的概率是统计物理的根本问题。
例1：孤立系统的总粒子数N （不是开系）、总能量U（外界不做功也不传热）、体积V （外界不做功）不变。
系统的微观状态：
在经典力学中，系统由2