(1.1)--广义热波长热力学与统计物理.pdf

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广义热波长:定义、意义和应用

摘要:光子气体和低温下强简量子气体都不是经典理想气体,有自己的平均动量,因此可以定义广义热

波长,这个热波长的物理意义是平均相干长度,在高温下,对于实物粒子系统广义热波长回到普通的热波

长.低温时,热力学系统的线度必须大于广义热波长,因此导致了对热力学系统出现相关现象的最小体

积.

关键词:热波长;量子气体;热力学极限

中图分类号:O414.21文献标识码:A文章编号:1000-0712XXXXXX

【DOI】.XXXXXX

低温下热力学系统中的粒子表现出明显的波动性,而相干性是波动性的一个

本质特征.相干长度可以定性地估计相干性的大小.如果能求出系统中每个粒子

p

的平均动量,可以仿照量子力学中德布罗意波长的定义,定义一个平均相干长

度(MCL)coh

h

coh(1)

p

其中h为普朗克常数.注意(1)不是热波长.按照统计物理的惯例,尽管热波长的

定义也是沿用了德布罗意波长的定义,但是局限于同样温度下的经典理想气体[1-

5]

hh

(2)

T

pig2mkT

p

其中温度T下质量为m的粒子的平均动量,k为玻尔兹曼常数.当温度较高

ig

粒子之间的相互作用可以忽略的时候,.从(2)到(1)只有一步之遥,但却

cohT

是一个没有正式引入过的物理量.美国奥斯汀德州大学的RichardFitzpatrick教

[6]

授在讨论自由费米气体的时候引入过这个概念,这个讲义仅仅有网页版本.由

于和热波长很相似,不妨称之为广义热波长,或者MCL.本文将计算低温下,

自由玻色气体、自由费米气体和光子气体MCL,并用来讨论这些系统的空间尺

度问题.所谓空间体积问题,指的是低温下量子统计理论自洽所要求的最小空间

[7]

体积,在玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)中讨论较多.

3[8]

对于立方体L中的单个粒子,能级为(周期性边界条件)

22222

2n+n+n

nnnxyz,ni0,1,2,...(3)

2

xyzmL

基态、第一、二激发态的能量分别记为

22214221

00,12,2221(4)

mLmL

这里还必须引

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