統(tǒng)計(jì)物理 課件 劉泉林 LEC01

1、 授課對象：北京科技大學(xué)授課對象：北京科技大學(xué) 本科生本科生材料科學(xué)與工程專業(yè)材料科學(xué)與工程專業(yè)劉泉林劉泉林 教授教授Telmail：地點(diǎn)：金物樓 410研究方向：光功能材料與器件 統(tǒng)計(jì)物理統(tǒng)計(jì)物理 Statistical Physics 01 教教 材材熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理（第四版） 汪志誠汪志誠配套 學(xué)習(xí)輔導(dǎo)書 引言引言 統(tǒng)計(jì)物理（統(tǒng)計(jì)力學(xué)）的學(xué)科地位 為什么在材料學(xué)專業(yè)設(shè)統(tǒng)計(jì)物理（必修）？本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容宏宏 觀觀 與與 微微 觀觀Macroscopic and Microscopic 物理機(jī)制，電子結(jié)構(gòu)，光子學(xué)化學(xué)構(gòu)筑，材料化學(xué)，晶體結(jié)構(gòu)材料科學(xué)相圖相結(jié)構(gòu)材料制備

2、固體光學(xué)器件應(yīng)用 材料材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程物理-化學(xué)-材料-應(yīng)用 大學(xué)物理 物理本科 材料物理 （材料理科班） 力 學(xué) 經(jīng)典力學(xué) 晶體學(xué) 量子力學(xué) X射線衍射 電磁學(xué) 電動(dòng)力學(xué) 掃描透射電鏡 熱學(xué) 統(tǒng)計(jì)力學(xué) 固體物理 光學(xué) 群論 原子物理 物 理 是 基 礎(chǔ) 材料物理專業(yè)的課程 量子力學(xué)規(guī)律牛頓力學(xué)規(guī)律統(tǒng)計(jì)力學(xué)規(guī)律微觀宏觀熱力學(xué) 如何學(xué)好物理類課？如何學(xué)好物理類課？數(shù)理同源數(shù)理同源多粒子體系庫倫相互作用?ZeereBAABBAAAAqppqPAPAAppprZZeMrereZmH2222222物理圖像概念 模型 規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)數(shù)值解誤差分析目的是簡單 熱力學(xué)：Thermodynamics

3、 宏觀理論(macroscopic theory) 統(tǒng)計(jì)物理： Statistical Physics 微觀理論 （microscopic theory ） Resolving Power of MicroscopesResolving Power of MicroscopesMicroscopic 微觀 vs. Macroscopic 宏觀 宏宏 觀觀 與與 微微 觀觀僅是空間尺寸的區(qū)別嗎？僅是空間尺寸的區(qū)別嗎？ 舉例舉例1 Model of Metal NaModel of Metal NaNa 1s22s22p63s1ion：Na+ 1s22s22p6Valence： 3s1Ions o

4、cuppy about 15of volume？一個(gè)自由電子占據(jù)一個(gè)自由電子占據(jù)85%空間空間舉例舉例2Cu 3d104s 銅紅銅紅Ag 4d105s 銀白銀白Au 5d106s 金黃金黃 MaterialResistivity (m) (295K)Resistivity (m) (4K)10-12“Pure”MetalsCopper10-5 Semi-ConductorsGe (pure)5 1021012 InsulatorsDiamond1014 Polytetrafluoroethylene (P.T.F.E)1020 10141020Potassium2 10-610-10？材料導(dǎo)電

5、性差別幾十?dāng)?shù)量級(jí)材料導(dǎo)電性差別幾十?dāng)?shù)量級(jí)舉例舉例3 ？金屬材料具有正霍爾系數(shù)金屬材料具有正霍爾系數(shù)-載流子不是電子載流子不是電子舉例舉例4R=EHall/JB= -1/ne？金屬鋁？金屬鋁 、鉛、鉛 正霍爾系數(shù)正霍爾系數(shù) Al2O3透明：白寶石 紅/藍(lán)寶石半透明：景德鎮(zhèn)陶瓷不透明：一般陶瓷材料？ 材料由密實(shí)的原子電子組成，光為電磁波；光如何無阻礙穿透材料？ 為什么天空藍(lán)色 大海藍(lán)色 夕陽紅色 （無霧霾）？ 黃金黃色 白銀白色 （無摻雜）？材料的透光性？材料的透光性舉例舉例5 Macroscopic 宏觀Microscopic 微觀Statistical 統(tǒng)計(jì) 體系用一組完備的宏觀參量描述的狀態(tài)

6、稱為宏觀狀態(tài)宏觀狀態(tài)。用廣義坐標(biāo)和廣義動(dòng)量 或者波函數(shù)（量子數(shù)）描述的狀態(tài)稱為微觀狀態(tài)微觀狀態(tài)。用統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律描述的狀態(tài)稱為統(tǒng)計(jì)態(tài)統(tǒng)計(jì)態(tài)。狀態(tài)與參量狀態(tài)與參量 （物理量）（物理量） 量子力學(xué)規(guī)律牛頓力學(xué)規(guī)律統(tǒng)計(jì)力學(xué)規(guī)律微觀宏觀熱力學(xué) Macroscopic 宏觀宏觀Microscopic 微觀Statistical 統(tǒng)計(jì) 冷冷 熱熱宏宏 觀觀 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 孤立體系和外界既不交換能量，也不交換物質(zhì)。這種約束可用Ni, E, V描述。封閉體系和外界可以交換能量，但不交換物質(zhì)這種約束可用Ni, T, V描述。開放體系和外界既可交換能量，也可交換物質(zhì)這種約束可用i, T, V描述。宏觀狀態(tài): 體

7、系用一組完備的宏觀參量描述的狀態(tài) 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第三定律溫度 Temperature能 Energy熵 Entropy熱 力 學(xué) Thermodynamics 能 Energy E=hc/=4.163X10-15 eV s 2.998X1010 cm/s / =1240 ev nm/ Boltzmann constant kB = 1.381 10-23 J/KAvogadro constant NA = 6.022 1023 / mol3.1 eV 2.48eV 2.07 eV 1.77eV1 eV = 1.602X10-19 J = 11600 K = 9

8、6 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 能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換能與熵的角逐能與熵的角逐 有序無序轉(zhuǎn)變有序無序轉(zhuǎn)變和相穩(wěn)定存在和相穩(wěn)定存在的物理根源的物理根源 GTGTG=H-TS氣固液相變 水（水溶液）鹽水純水舉例LiquidsolutionsolidLiquidsolutiongas Macroscopic 宏觀Microscopic 微觀微觀Statistical 統(tǒng)計(jì) 費(fèi)恩曼物理學(xué)講義 假如由于某種大災(zāi)難，所有的科學(xué)知識(shí)都丟失了，只有一句話

9、可傳給下一代,那么怎樣用最少的詞匯來傳達(dá)最多的信息呢？ 物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，并且它們不停的運(yùn)動(dòng)著。物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，并且它們不停的運(yùn)動(dòng)著。 結(jié)構(gòu) 決定 性能結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)，界面結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)，磁結(jié)構(gòu) 晶體 crystal非晶 amorphous 運(yùn)運(yùn) 動(dòng)動(dòng) 經(jīng)典描述： 遵從經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 （廣義坐標(biāo)和廣義動(dòng)量描述） 量子描述： 遵從量子力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 （一組量子數(shù)描述) 微觀狀態(tài) 數(shù)學(xué)描述 粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的經(jīng)典描述（坐標(biāo)，動(dòng)量）r個(gè)廣義坐標(biāo)r個(gè)廣義動(dòng)量空間空間（2r維相空間）3rnk,1, 2,iiqpir1212,;,rrq qqp pp Macroscopic 宏觀

10、Microscopic 微觀Statistical 統(tǒng)計(jì) 統(tǒng)計(jì)態(tài)統(tǒng)計(jì)態(tài) Statistical Boltzmann 玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)Bose 玻色統(tǒng)計(jì)Fermi 費(fèi)米統(tǒng)計(jì) 統(tǒng)計(jì)物理建立的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)物理建立的基礎(chǔ) 薛 定 諤 貓 在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體，每立方厘米有多少個(gè)分子？ 凝聚態(tài)物質(zhì)材料在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，每立方厘米Fe有多少個(gè)Fe原子？ 如何研究把握1023量級(jí)原子/粒子/分子/電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律？Fe密度7.87 g/cm-3 , 原子量55.8477.87(/55.847)( 6.0221023)=0.851023 vxPiston area ALVolume = LA理想氣體壓強(qiáng)例子 vxPiston

11、area ALVolume = LA2xpmv 2 /xtL v 22112 /xxxxFmvPmvAL v AV22NxxiPVmvN m v22222222111,223trxyzxyzKm vm vvvvvvv21233trPVN m vN K 22NxxiPVmvN m vBP VN k T2xBm vk T聽力 1910N 以統(tǒng)計(jì)解釋精確定律Boltzmann 力學(xué)定律與統(tǒng)計(jì)規(guī)律力學(xué)定律與統(tǒng)計(jì)規(guī)律 假如氣體運(yùn)動(dòng)理論可描述分子運(yùn)動(dòng)，則分子運(yùn)動(dòng)會(huì)遵從牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。但牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律是時(shí)間可逆的。迷：在一個(gè)以時(shí)間可逆定律描述的世界里，為何產(chǎn)生那么多不可逆的現(xiàn)象？ Before?Afte

12、r?After?Before? 時(shí)間箭頭 （不可逆現(xiàn)象） 宇宙的起源、進(jìn)化？生命的誕生、長大、衰老、死亡？微觀與宏觀的不同矛盾？ 黃昏的樹林里分出兩條路， 我選擇了其中一條， 留下一條改日再走。 可是我知道每一條路都延綿無盡頭， 一旦選定，就不能返回，從此決定了一生的道路。the road not taken 【美】 Robert Frost Robert Frost 231.8 10121102N熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 過程的不可逆完全是統(tǒng)計(jì)的效果，這就是熵增加原理的微觀實(shí)質(zhì) 。V1V2V11 mol 統(tǒng)計(jì)規(guī)律的另一特點(diǎn)： 漲落漲落問題 統(tǒng)計(jì)規(guī)律永遠(yuǎn)伴隨著漲落現(xiàn)象。 如何學(xué)好物理類課？如何

13、學(xué)好物理類課？數(shù)理同源數(shù)理同源多粒子體系庫倫相互作用?ZeereBAABBAAAAqppqPAPAAppprZZeMrereZmH2222222物理圖像概念 模型 規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)數(shù)值解誤差分析目的是簡單原子分子固體電子結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)例子 數(shù)學(xué)表達(dá)物理圖像物理圖像幾何化（圖像化）幾何化（圖像化）空間空間數(shù)學(xué)表達(dá)數(shù)學(xué)表達(dá)實(shí)空間結(jié)構(gòu)圖倒空間波矢空間動(dòng)量空間衍射空間抽象空間相空間 Hilbert space 函數(shù)空間 數(shù)理同源數(shù)理同源例如：對稱性描述：空間群 點(diǎn)群 SO3旋轉(zhuǎn)群 群論 近獨(dú)立粒子的最概然分布 （補(bǔ)充量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)）玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)系綜理論漲落理論*非平衡統(tǒng)計(jì)理論初步*熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理（第四版）汪志誠配套 學(xué)習(xí)輔導(dǎo)書 推薦參考書費(fèi)恩曼物理學(xué)講義（第費(fèi)恩曼物理學(xué)講義（第1，2，3卷）卷）上?？茖W(xué)技術(shù)出版社上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 統(tǒng)計(jì)物理學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué) （第二版）（第二版） 蘇汝鏗蘇汝鏗 編著編著 高等教育出版社高等教育出版社 Grading PolicyGrading Policy4040% + 60% + 6