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本科生 材料科学与工程专业刘泉林教授Tel 010 Email 地点 410研究方向 光功能材料与器件 统计物理StatisticalPhysics01 教材 热力学 统计物理 第四版 汪志诚配套学习辅导书 引言 统计物理 统计力学 的学科地位 为什么在材料学专业设统计物理 必修 本节内容 宏观与微观MacroscopicandMicroscopic 结构设计 材料科学与工程 物理 化学 材料 应用 大学物理物理本科材料物理 材料理科班 力学经典力学晶体学量子力学X射线衍射电磁学电动力学扫描透射电镜热学统计力学固体物理光学群论原子物理 物理是基础材料物理专业的课程 热力学 如何学好物理类课 数理同源 多粒子体系库伦相互作用 热力学 Thermodynamics宏观理论 macroscopictheory 统计物理 StatisticalPhysics微观理论 microscopictheory ResolvingPowerofMicroscopes Microscopic微观vs Macroscopic宏观 宏观与微观仅是空间尺寸的区别吗 举例1 ModelofMetalNaNa1s22s22p63s1ion Na 1s22s22p6Valence 3s1Ionsocuppyabout15 ofvolume 一个自由电子占据85 空间 举例2 Cu3d104s铜红Ag4d105s银白Au5d106s金黄 材料导电性差别几十数量级 举例3 金属材料具有正霍尔系数 载流子不是电子 举例4 R EHall JB 1 ne 金属铝 铅正霍尔系数 Halleffect Al2O3透明 白宝石红 蓝宝石半透明 景德镇陶瓷不透明 一般陶瓷材料 材料由密实的原子电子组成 光为电磁波 光如何无阻碍穿透材料 为什么天空蓝色大海蓝色夕阳红色 无雾霾 黄金黄色白银白色 无掺杂 材料的透光性 举例5 Macroscopic宏观Microscopic微观Statistical统计 体系用一组完备的宏观参量描述的状态称为宏观状态 用广义坐标和广义动量或者波函数 量子数 描述的状态称为微观状态 用统计分布规律描述的状态称为统计态 状态与参量 物理量 热力学 Macroscopic宏观Microscopic微观Statistical统计 冷热 宏观热力学 孤立体系 和外界既不交换能量 也不交换物质 这种约束可用Ni E V描述 封闭体系 和外界可以交换能量 但不交换物质这种约束可用Ni T V描述 开放体系 和外界既可交换能量 也可交换物质这种约束可用 i T V描述 宏观状态 体系用一组完备的宏观参量描述的状态 热力学第零定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第三定律 温度Temperature能Energy熵Entropy 热力学Thermodynamics 能Energy energy E hc 4 163X10 15eVs 2 998X1010cm s 1240evnm BoltzmannconstantkB 1 381 10 23J KAvogadroconstantNA 6 022 1023 mol 3 1eV2 48eV2 07eV1 77eV1eV 1 602X10 19J 11600K 96kJ mol 12040nm 0 8066 10 4cm 1 2 418 1014Hz Bohrmagneton B 9 274 10 24J T 熵Entropy 能量转换能与熵的角逐 有序 无序转变和相稳定存在的物理根源 G H TS 气固液相变 水 水溶液 举例 Liquidsolution solid Liquidsolution gas Macroscopic宏观Microscopic微观Statistical统计 费恩曼物理学讲义 假如由于某种大灾难 所有的科学知识都丢失了 只有一句话可传给下一代 那么怎样用最少的词汇来传达最多的信息呢 物质是由原子构成的 并且它们不停的运动着 结构决定性能 结构 晶体结构 组织结构 界面结构 电子结构 能带结构 磁结构 晶体crystal 非晶amorphous 运动 IronAtomsonCopper 经典描述 遵从经典力学的运动规律 广义坐标和广义动量描述 量子描述 遵从量子力学的运动规律 一组量子数描述 微观状态 数学描述 粒子运动状态的经典描述 坐标 动量 粒子自由度r 粒子自由度 力学运动状态 哈密顿量 单粒子状态及其演变过程对应 空间中的点和曲线 QuantumNumbersofanelectroninanatom Macroscopic宏观Microscopic微观Statistical统计 统计态Statistical Boltzmann玻耳兹曼统计Bose玻色统计Fermi费米统计 统计物理建立的基础 统计规律性 薛定谔猫 在标准状况下的气体 每立方厘米有多少个分子 凝聚态物质 材料 在标准状况下 每立方厘米Fe有多少个Fe原子 如何研究把握1023量级原子 粒子 分子 电子运动规律 Fe密度7 87g cm 3 原子量55 8477 87 55 847 6 022 1023 0 85 1023 理想气体压强 例子 听力 气体分子运动的速率分布 5个粒子的速率分布 500个粒子的速率分布 2000个粒子的速率分布 速率分布的时间平均值 以统计解释精确定律 Boltzmann 统计物理 StatisticalPhysics 在经典物理中 单个粒子的运动遵守牛顿力学规律 宏观体系是由大量原子和分子组成的 统计规律性 大量粒子组成的体系出现了新的规律性 统计规律性 根据这种新的规律性 就能确定宏观物体的性质 力学定律与统计规律 假如气体运动理论可描述分子运动 则分子运动会遵从牛頓第二运动定律 但牛頓第二运动定律是时间可逆的 迷 在一个以时间可逆定律描述的世界里 为何产生那么多不可逆的现象 时间箭头 不可逆现象 宇宙的起源 进化 生命的诞生 长大 衰老 死亡 微观与宏观的不同矛盾 黄昏的树林里分出两条路 我选择了其中一条 留下一条改日再走 可是我知道每一条路都延绵无尽头 一旦选定 就不能返回 从此决定了一生的道路 theroadnottaken 美 RobertFrost 热力学第二定律的微观解释 过程的不可逆完全是统计的效果 这就是熵增加原理的微观实质 V1 V2 V1 1mol 统计规律的另一特点 涨落问题 统计规律永远伴随着涨落现象 如何学好物理类课 数理同源 多粒子体系库伦相互作用 原子 分子 固体 电子结构 晶体结构 例子 数学表达 物理图像 几何化 图像化 空间 数学表达 实空间结构图 倒空间波矢空间动量空间衍射空间 抽象空间相空间 Hilbertspace函数空间 数理同源 例如 对称性描述 空间群点群SO3旋转群 群论 课程内容 32学时 近独立粒子的最概然分布 补充量子力学基础知识 玻耳兹曼统计玻色统计和费米统计系综理论涨落理论 非平衡统计理论初步 热力学 统计物理 第四版 汪志诚配套学习辅导书 推荐参考书 费恩曼物理学讲义 第1 2 3卷 上海科学技术出版社 统计物理学 第二版 苏汝铿编著高等教育出版社 GradingPolicy40 60 以统计解释精确定律 Boltzmann 统计物理StatisticalPhysics 总结 统计物理 力学 是一个优美的科学体系 它从一个最简单的 各相同相空间状态具有相同概率 的假定出发 能推倒出形形色色的物理现象 它自身构成