光子气体
目录
1 光子气体 2
1.1 粒子数可变的玻色分布与普朗克辐射公式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 巨配分函数与热力学量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1
1 光子气体
1.1 粒子数可变的玻色分布与普朗克辐射公式
光子气体允许粒子数不守恒, 这是因为腔内的物质可以吸收和发射光子. 光子作为玻色子, 其统计分布服
从玻色-爱因斯坦分布. 回顾玻色分布的导出过程, 最可几分布要求微观状态数达到极值
𝛿 ln 𝑊
𝐵𝐸
=
Õ
𝜆
ln
𝑔
𝜆
+ 𝑎
𝜆
𝑎
𝜆
𝛿𝑎
𝜆
= 0
随后添加了粒子数和能量稳定约束
𝛿𝑁 =
Õ
𝜆
𝛿𝑎
𝜆
= 0, 𝛿𝐸 =
Õ
𝜆
𝜖
𝜆
𝛿𝑎
𝜆
= 0
为了求解引入拉格朗日乘子 𝛼 𝛽, 则极值条件变为
Õ
𝜆
ln
𝑔
𝜆
+ 𝑎
𝜆
𝑎
𝜆
𝛼 𝛽𝜖
𝜆
𝛿𝑎
𝜆
= 0
光子不满足粒子数约束, 希望取消粒子数约束, 那么只引入一个拉格朗日乘子 𝛽 即可
Õ
𝜆
ln
𝑔
𝜆
+ 𝑎
𝜆
𝑎
𝜆
𝛽𝜖
𝜆
𝛿𝑎
𝜆
= 0
这也就等价于 𝛼 = 0, 也就是说光子气体的分布是 𝛼 = 0 的玻色-爱因斯坦分布. 鉴于化学势满足
𝜇 = 𝑘𝑇 𝛼
也就是说光子气体的化学势为零. 可以基于玻色-爱因斯坦分布的结果, 给出其平均分布
𝑎
𝜆
=
𝑔
𝜆
𝑒
𝛽 𝜖
𝜆
1
光子的能量动量如下给出
𝑝 =
𝜖
𝑐
=
𝜈
𝑐
由此可以给出平均分布下光子气体在在频率间隔 (𝜈, 𝜈 + 𝑑𝜈) 内的能量为
𝐸 (𝜈)𝑑𝜈 =
Õ
𝑑𝜈
𝑎
𝜆
𝜖
𝜆
=
Õ
𝑑𝜈
𝑔
𝜆
𝜖
𝜆
𝑒
𝛽 𝜖
𝜆
1
=
𝜈
𝑒
𝜈/𝑘𝑇
1
Õ
𝑑𝜈
𝑔
𝜆
需要求解 𝜈 𝜈 + 𝑑𝜈 内的量子态数目. 对于宏观的体 𝑉 而言, 其中的光子频率近似可以看作是连续,
也就是说动量是连续的. 由此满足经典极限条件, 所以可以用相空间体积积分代替简并度. 引入态密度
𝑔(𝜈)d𝜈 =
Õ
𝑑𝜈
𝑔
𝜆
= 2
d𝜈
d𝜔
3
之所以乘两倍因为光的振有两个自由, 也就是光子有两偏振. 等能量面是一球面, 因而 d𝜈
是一个球壳, 其体积为 4𝜋 𝑝
2
d𝑝, 𝑝 是光子动量, 再考虑空间的体积 𝑉,
𝑔(𝜈)d𝜈 =
2𝑉
3
4𝜋 𝑝
2
d𝑝 =
8𝜋𝑉
𝑐
3
𝜈
2
d𝜈
从而得到能量密度
𝐸 (𝜈)𝑑𝜈 =
8𝜋𝑉
𝑐
3
𝜈
3
𝑒
𝜈/𝑘𝑇
1
d𝜈
对体积归一化即得
𝑢(𝜈)d𝜈 =
8𝜋
𝑐
3
𝜈
3
𝑒
𝜈/𝑘𝑇
1
d𝜈
普朗克辐射公式
1.2 巨配分函数与热力学量
理想玻色分布的巨配分函数为
ln Ξ =
Õ
𝜆
𝑔
𝜆
ln(1 𝑒
𝛼𝛽 𝜖
𝜆
)
𝛼 = 0 消除粒子数约束,
ln Ξ =
Õ
𝜆
𝑔
𝜆
ln(1 𝑒
𝛽𝜖
𝜆
)
将简并度用态密度代替, 经典极限下求和变为积分, 从而
ln Ξ =
0
ln(1 𝑒
𝛽𝜈
)𝑔(𝜈)d𝜈 =
8𝜋𝑉
3
𝑐
3
(𝑘𝑇)
3
0
𝑥
2
ln(1 𝑒
𝑥
)d𝑥
其中做了换元 𝑥 = 𝛽𝜈. 利用分部积分
ln Ξ =
8𝜋𝑉
3
𝑐
3
(𝑘𝑇)
3
𝑥
3
3
ln(1 𝑒
𝑥
)
0
1
3
0
𝑥
3
𝑒
𝑥
1
d𝑥
第一项为零, 注意到
0
𝑥
3
𝑒
𝑥
1
d𝑥 =
𝜋
4
15
所以
ln Ξ =
8𝜋
4
𝑉
45
𝑘𝑇
𝑐
3
从而给出其他物理量, 如熵, 由于 𝛼 = 0, 所以
𝑆 = 𝑘
ln Ξ 𝛽
𝜕
𝜕𝛽
ln Ξ
=
32𝜋
4
𝑉
45
𝑘𝑇
𝑐
3
其他物理量也可以有巨配分函数导出
𝐸 =
𝜕
𝜕𝛽
ln Ξ =
8𝜋
4
𝑉
15(𝑐)
3
(𝑘𝑇)
4
𝑝 =
1
𝛽
𝜕
𝜕𝑉
ln Ξ =
8𝜋
4
45(𝑐)
3
(𝑘𝑇)
4
=
𝐸
3𝑉
𝐶
𝑉
=
𝜕𝐸
𝜕𝑇
!
𝑉
=
32𝜋
4
𝑉
15(𝑐)
3
𝑘
4
𝑇
3
= 3𝑆
对于平均光子数, 由于 𝛼 = 0, 所以无法根据 𝛼 的偏导数求解, 不过可以直接对平均分布求和
𝑁 =
Õ
𝜆
𝑎
𝜆
=
Õ
𝜆
𝑔
𝜆
𝑒
𝛽 𝜖
𝜆
1
=
0
𝑔(𝜈)
1
𝑒
𝛽𝜈
1
d𝜈
𝑁 =
8𝜋𝑉
3
𝑐
3
(𝑘𝑇)
3
0
𝑥
2
𝑒
𝑥
1
d𝑥 𝑉𝑇
3
𝑇 0 , 平均光子数趋于零