统计物理课件刘泉林LEC

1、,授课对象：北京科技大学 本科生材料科学与工程专业 刘泉林 教授 TelEmail：qlliu 地点：金物楼 410 研究方向：光功能材料与器件,统计物理 Statistical Physics 01,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 Macroscopic and Microscopic,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

2、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(macroscopic theory) 统计物理： Statistical Physics 微观理论 （microscopic theory ）,Resolving Power of Microscopes,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,Model of Metal Na Na

3、1s22s22p63s1 ion：Na+ 1s22s22p6 Valence： 3s1 Ions ocuppy about 15of volume,？一个自由电子占据85%空间,举例2,Cu 3d104s 铜红 Ag 4d105s 银白 Au 5d106s 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,Hall effect,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

4、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，

5、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/=4.163X10-15 eV s 2.998X1010 cm/s / =1240 ev nm/ Boltzmann constant kB = 1.381 10-23 J/K Avogadro constan

6、t NA = 6.022 1023 / mol,3.1 eV 2.48eV 2.07 eV 1.77eV 1 eV = 1.602X10-19 J = 11600 K = 96 kJ/mol = 12040 nm = 0.8066 10-4 cm-1 =2.418 1014 Hz,Bohr magneton B = 9.274 10-24 J/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,Liquid solution,solid,Liquid solution,gas,Macroscopic 宏观 Micro

7、scopic 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,Iron Atoms on Copper,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

8、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 。,Quantum Numbers of an electron in an atom,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7.8

9、7 g/cm-3 , 原子量55.847 7.87(/55.847)( 6.0221023)=0.851023,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？ Statistical Physics,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

10、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。 the road not taken 【美】 Robert Frost,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,V2V1,1 mol,统计规律的另一特点： 涨落问

11、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 Hilbert space 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,Grading Policy 40% + 60%,以统计解释精确定律,Boltzmann,统计物理 Statistical Physics,总 结,统计物理（力学）是一个优美的科学体系。它从一个