• بازدید : 44 views
  • بدون نظر
این فایل در قالب pdfتهیه شده وشامل موارد زیر است:

مکانیک آماری، یکی از مباحث مطرح در فیزیک است که به سیستم‌هایی با تعداد متغیرهای بسیار زیاد می‌پردازد. این متغیرها می‌توانند ذراتی چون اتم‌ها، مولکول‌ها، یا ذرات بنیادی باشند که تعداد آن‌ها می‌تواند هم‌مرتبه با عدد آووگادرو باشد. در این مبحث، با استفاده از خاصیتهای میکروسکوپی این ذرات مانند ساختار اتمی و برهمکنش بین آن‌ها، اطلاعاتی در مورد خواص ماکروسکوپی سیستم مانند فشار، انتروپی و انرژی آزاد گیبس، از طریق محاسبات و روش‌های آماری به دست می‌آید. مثلاً معادله‌های حالت در ترمودینامیک توسط مدل‌های میکروسکوپی-آماری مشتق می‌شوند.
دیدگاه مکانیک آماری
دیدگاه مکانیک آماری میکروسکوپی است. بدین معنی که در این دیدگاه تا حد امکان جزئیات ساختاری سیستمها منظور می‌شود. لذا به علت زیاد بودن تعداد ذرات صحبت به زبان احتمال خواهد بود. مثلا احتمال یافتن ذره در یک سطح انرژی یا تراز انرژی. بطور اصولی می‌توان ذرات را بطور جداگانه انتخاب نموده و صور مختلف آرایشهای آنها را در نظر گرفت. اما چون احتمال مربوط به اشکال مختلف آرایشها اختلاف چندانی ندارند، پس متوسط گیری در این مقوله زیاد بد نمی‌باشد. 
ارتباط مکانیک آماری با ترمودینامیک
ترمودینامیک یک تئوری کلاسیک و قدیمی است. (علم حرکت و گرما Heat and motion). در این علم که دارای دیدگاه ماکروسکوپی است، کلیه سیستمها بدون توجه به ساختار اتمی و با انتصاب کمیات قابل اندازه گیری مثل حجم ، فشار ، آنتالپی ، انرژی داخلی ، دما و آنتروپی مطالعه می‌شود. ترمودینامیک مبتنی بر سه قانون بسیار مهم و البته تجربی است که به قوانین ترمودینامیک معروف هستند و در ترمودینامیک مورد بحث قرار می گیرند.

این علم قادر است روابط بی‌شماری بین کمیات مختلف مثل حجم و تعداد ذرات سیستم (V,N) یا کمیات مکانیکی مانند فشار و انرژی داخلی (U,P) و یا کمیات گرمایی مانند آنتروپی و دما (S,T) برقرار کند. به علاوه این علم قادر است ارتباط بین خواص مشخصه سیستمها ، مثل گرمای ویژه ، تراکم پذیری و تحرک الکترونها را ایجاد نماید. اما این درس نمی‌تواند مقادیر مطلق کمیات مذکور را تعیین کند و این وظیفه مکانیک آماری است که ، علاوه بر رفع این نقص و تأیید مجدد قوانین ترمودینامیکی ، می‌تواند دما را به انرژی ذرات اتصال دهد، تئوری جنبشی گازها Kinetic Theory of Gasses) و آنتروپی را در یک طریق بخصوصی به بی‌نظمی اتصال دهد. (معادله معروف بولتزمن) 
چرا ترمودینامیک به مکانیک آماری منجر می‌شود؟
ترمودینامیک یک درس کلاسیک است و در موارد زیرین نقض می‌شود:


در دماهای پایین: در این حالت خواص کلاسیکی سیستمها از بین رفته و پدیده‌های مشاهده شده ، کوانتومی هستند.

چگالیهای بالا: به عنوان مثال می‌توان به ستارگان نوترونی اشاره کرد. در ستارگانی که جرم آنها اندکی بیشتر از جرم خورشید می‌باشد، ریزش ثقلی تولید جرمی با چگالیهای باور نکردنی می‌نماید. در چنین چگالیهایی ، هسته‌ها نیز می‌شکنند و به صورت مایع نوترونی در می‌آیند.
توابع توزیع اساسی در مکانیک آماری
در مکانیک آماری سه نوع تابع توزیع بر اساس تقسیم بندی ذرات مختلف وجود دارد، که عبارتند از:
توزیع کلاسیک: اگر سیستمی تحت شرایط کلاسیکی باشد، در این صورت ذرات چنین سیستمی کلاسیک تلقی می شوند (ذرات کلاسیکی). این ذرات از تابع توزیع کلاسیک پیروی می‌کنند. اگر یک سیستم ماکروسکوپی با تعداد ذرات N و حجم V در نظر بگیریم، بطوری که سیستم در تعادل گرمایی باشد، به عبارت دیگر فرض کنیم که بین ذرات برهمکنش ضعیفی وجود دارد که قابل صرفنظر کردن است. با این مفروضات تابع توزیع (f(E که بیانگر تعداد ذرات با انرژی معین E از بین N ذره می‌باشد، به صورت زیر حاصل می‌گردد:

f (E) = e -(e-μ)/KT

گونه توزیع ذرات به توزیع کلاسیکی یا توزیع ماکسول_بولتزمن معروف است. در عبارت فوق E بیانگر انرژی ذرات ، T دما ، K ثابت بولتزمن و N پتانسیل شیمیایی است که برابر با تعداد انرژی ذخیره شده در سیستم در اثر تغییر تعداد ذرات می‌باشد.
توزیع فرمی-دیراک: گروه دیگری از ذرات ، فرمیونها هستند. از مشخصه‌های این ذرات می‌توان به داشتن عدد اسپینی نیم فرد (مضرب فرد ۱/۲) و تابع موج نامتقارن اشاره کرد. این ذرات از اصل پائولی پیروی می‌کنند. یعنی در هر حالت کوانتومی بیشتر از یک ذره نمی‌تواند وجود داشته باشد. به عنوان مثال الکترون در زمره ذرات فرمیونی قرار دارد. تابع توزیع حاکم بر این ذرات ، تابع توزیع فرمی-دیراک می‌باشد. به عبارت دیگر ، اگر سیستمی از این ذرات با برهمکنش ضعیف در نظر بگیریم، در این صورت تابع توزیعی که بر اساس آن می‌توان تعداد ذرات با انرژی معین E را در میان N ذره سیستم تعیین کرد، به صورت زیر ارائه می‌گردد:

f (E) = e -(e-μ)/KT + 1

توزیع بوز-انیشتن: گروه سوم و آخرین گروه از ذرات ، ذرات بوزونی هستند. این ذرات دارای عدد اسپین صفر یا صحیح بوده و تابع موج متقارن دارند. ذرات بوزونی برخلاف فرمیونها از اصل پائولی پیروی نمی‌کنند. به عنوان مثال فوتون یک ذره بوزونی است. تابعی که توزیع ذرات بوزونی از آن تبعیت می‌کند، تابع توزیع بوز-انیشتن می‌باشد. به بیان دیگر ، یک سیستم متشکل از ذرات بوزونی با برهمکنش ضعیف در نظر می‌گیریم. حال اگر بخواهیم تعداد ذراتی را که از بین N ذره بوزنی موجود در این سیستم دارای انرژی معین E هستند، پیدا کنیم، باید از رابطه زیر استفاده کنیم:

عتیقه زیرخاکی گنج