Manual de Física Estadística. Salvador Mafé Matoses

propietats estadístiques d'un sistema de N partícules, necessitem conèixer el conjunt de valors de l'energia ES(N), on ES(N) és l'energia de l'estat s del sistema de N partícules. En els capítols següents considerarem amb preferència les propietats d'aquells sistemes per als quals ES(N) es pot calcular exactament.

      Altres exemples [Benedek i Villars, cap. 4] per a ES(N) apareixen en les figs. 2-4, on hem omès l'efecte de la degeneració. Així, la fig. 2 mostra els nivells d'energia del e^- en un àtom de H, En(1). Els estats lligats, corresponents a energies negatives, estan quantitzats. Per a En(1) > 0, el e^- no està lligat, i l'espectre d'energies és continu.

      Figura 2

      Figura 3

      Figura 4

      Si es considera no un àtom, sinó la molècula de H₂, els nivells d'energia (i per tant els estats de la molècula) són més complicats. De nou, la molècula posseeix diversos estats corresponents als nivells d'energia de cada electró. Però per a cada estat de l'electró, la molècula completa pot també vibrar i rotar. Les figs. 3 i 4 mostren que les energies d'excitació corresponents a la rotació Ej(2) i a la vibració están també quantitzades. La línia discontínua representa Y energia tèrmica kT ≈ 4 x 10^-21 J ≈ 30 meV per a T = 300 K, amb k = 1.38 x 10^-23 J/K la constant de Boltzmann. En les figs. 3 i 4, els nivells d'energia per sobre del nivell fonamental corresponen als diversos estats excitats. La separació entre els nivells de vibració de la fig. 4 és d'uns 0.5 eV « 10 eV característics de la separació entre el nivell fonamental i el primer nivell excitat dels nivells electrònics (vegeu la fig. 2). Els nivells rotacionals (vegeu la fig 3) presenten separacions fins i tot menors (≈ 7 meV). Per consegüent, a temperatura ambient les molècules de H₂ presenten només estats electrònics fonamentals. Aquest és també el cas dels estats vibracionals aproximadament (vegeu la fig. 4), però no el dels rotacionals, ja que kT > EJ=0,1,2(2) en la fig. 3.

      En molècules poliatòmiques apareixen nous estats o modes de vibració (vegeu la fig. 5). La molècula de H₂0, p. ex., pot repartir la seua energia de vibració simultàniament entre els tres modes de vibració de la fig. 5 (anomenats modes normals). L'energia corresponent a cada mode està quantitzada, i és additiva si l'excitació s'esdevé simultàniament en més d'un mode. L'energia vibracional de la molècula es pot escriure ara com , on na, nb, nc prenent els valors 0, 1, 2, … (vegeu la fig. 6 [Benedek i Villars, cap. 4]), i defineixen l'estat quàntic vibracional del sistema de 3 àtoms que componen la molècula de la fig. 5.

      Figura 5

      Figura 6

      En tots els casos anteriors, el concepte d'estat quàntic, caracteritzat en cada cas pels seus nombres quàntics corresponents, permet una enumeració dels estats microscòpics per a un sistema de N partícules. Veurem en els capítols següents que aquesta enumeració és sempre el pas inicial de tot tractament en Física Estadística.

2. Combinatòria. Aproximació de Stirling

      Les matemàtiques requerides per a una introducció a la Física Estadística són elementals [Reif, caps. 1, 2, 6 i A. 1–11; de la Rubia i Brey, cap. 1; Kittel i Kroemer, cap. 1; Stark i Woods, caps. 1–4], si bé el desenvolupament de determinats temes a un nivell més avançat requereix tècniques més complicades [Chandler, caps. 5–8; Huang, caps. 8–10 i 14–18].

      Tal com hem avançat al final de la secció anterior, un pas previ al tractament estadístic consisteix en l'enumeració dels estats microscòpics d'un sistema de N partícules, la qual cosa involucra sovint nombres combinatoris. Efectuada aquesta enumeració, el càlcul de la probabilitat d'un estat i dels valors mitjans de les magnituds físiques necessita els conceptes de probabilitat i distribució de probabilitat. Dedicarem aquesta secció a una breu revisió de la combinatòria matemàtica, i la següent secció a aspectes relacionats amb la probabilitat.

      La taula 1 mostra algunes de les equacions del càlcul combinatori que farem servir al llarg d'aquest curs particularitzades al cas de N objectes («partícules») a distribuir en n capses («nivells» si s'efectua la identificació anterior). Les equacions de la taula 1 corresponen al nombre de disposicions g(N,n) distintes de les N partícules en els n nivells (suposem que no existeix degeneració en els nivells) per al cas de partícules distingibles i indistingibles,² i es poden justificar sobre la base d'arguments senzills. Per exemple, per a N objectes distingibles a distribuir entre n capses sense cap restricció en el nombre d'objectes per capsa, g(N,n) = nN. Si els objectes foren indistingibles, el problema d'avaluar g(N,n) es redueix ara a comptar el nombre de disposicions possibles per a una sèrie composta per N objectes iguals + (n - 1) parets, ja que n capses contigües suposen (n+1) parets, de les quals la nombre 1 i la (n + 1) ocupen posicions fixes.³ Evidentment, aquest nombre és Si impo sem la condició d'un sol objecte per capsa, amb n > N, aleshores el nombre de disposicions seria per a objectes distingibles i per a objectes indistingibles, ja que el nombre de permutacions que podem realitzar entre els objectes en les capses sense donar lloc a cap disposició nova és precisament N! Finalment, l'equació per a les permutacions amb repetició de N objectes distingibles distribuïts de manera que n'hi ha Ni d'ells en la capsa i es pot obtindré a partir de l'equació

Taula 1

      Si utilitzem la nomenclatura d'estats i partícules, l'existència de degeneracions gi en cada nivell i d'energia εi dóna lloc al fet que a cada nivell li cor- responguen diversos estats, i es pot tractar com es mostra en la taula 2, on hem particularitzat la teoria combinatòria a les tres estadístiques que apareixen en aquest curs: l'estadística clàssica de Maxwell-Boltzmann (MB) i les estadístiques quàntiques de Bose-Einstein (BE) i Fermi-Dirac (FD).

      Quan es consideren distribucions de N partícules en Física Estadística, generalment s'ha d'avaluar no N! sinó lnN!. Quan N » 1 (en sistemes macroscòpics, N ~ NA ≈ 6 x 10²³), es pot efectuar la següent aproximació

      Taula 2

      Figura 7

      d'on N! ≈ NN e-N. En l' Скачать книгу