
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 和 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
=
ℎ𝜈
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
=
ℎ𝜈
𝑒
ℎ𝜈/𝑘𝑇
− 1
Õ
𝑑𝜈
𝑔
𝜆
需要求解 𝜈 ∼ 𝜈 + 𝑑𝜈 内的量子态数目. 对于宏观的体积 𝑉 而言, 其中的光子频率近似可以看作是连续的,
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
ℎ
3
之所以乘两倍是因为光的偏振有两个自由度, 也就是光子有两个偏振态. 等能量面是一个球面, 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, 则
𝑔(𝜈)d𝜈 =
2𝑉
ℎ
3
4𝜋 𝑝
2
d𝑝 =
8𝜋𝑉
𝑐
3
𝜈
2
d𝜈