(Оффтоп)
ого, пока я потихоньку нашлёпывал свой текст, здесь почти две страницы прибавилось! Ну лан, всё равно свой тож запощу:
Обсуждающим распределение Планка, возможно, будет полезен такой комментарий: важно помнить (а об этом часто забывают студенты, и часто делают ошибочные выводы), что функция распределения Ферми-Дирака
(где
- хим. потенциал) и функция распределения Планка
это среднее число частиц (в первом случае - электронов, во втором случае - фотонов, либо фононов, (либо других квазичастиц-бозонов с равным нулю хим. потенциалом, к которым применима модель идеального газа))
в заданном одночастичном квантовом состоянии. Т.е. - в состоянии
с заданным набором квантовых числел То есть, строго говоря, эти функции представляют собой не распределение частиц по энергии, а заселённость частицами разных квантовых состояний, характеризующихся квантовыми числами
Другими словами, аргументом этих функций изначально следует считать квантовые числа
а не энергию
или
Под
здесь понимается мультииндекс: набор величин, полностью определяющих одно квантовое состояние одной частицы.
В реальных задачах энергетические уровни частиц многократно вырождены, т.е. одно и то же значение энергии
имеют состояния с разными квантовыми числами. Например, если квантовые состояния частиц аппроксимируются как "волны" с определённым волновым вектором
и с определённой поляризацией
то в изотропных моделях энергия частицы
не зависит от направления
и от значения индекса поляризации
Для упрощения записи эти квантовые числа вообще опускают и записывают функции распределения Ферми-Дирака и Планка как функции от энергии (или частоты):
и
Однако об этом упрощении записи следует помнить: нельзя, глядя только на эти функции, судить о количестве частиц с той или иной энергией и о вероятностях переходов частиц на шкале энергии. Среднее количестово частиц
в интервале энергии
определяется не только функциями распределения, но ещё и так называемой
плотностью состояний (на шкале энергии):
,
где
- плотность электронных состояний в данном твёрдом теле. Аналогично и для бозонов. Так, для фотонов в макроскопической полости (в "ящике квантования" достаточно большого объёма
имеем:
,
где множитель перед функцией Планка
есть плотность состояний фотонов на шкале частоты. Для фононов имеем:
,
где
- фононная плотность состояний в данном твёрдом теле, т.е. плотность сотояний колебательных мод кристаллической решётки. (Её можно записать и как
если выразить переменную
через
)
Плотность состояний
и
не описывается в общем случае какими-либо универсальными функциями, а зависят от конкретного вида электронного и фонного спектра в конкретном твёрдом теле, т.е. зависит "от материала".
Электронный спектр энергии может иметь сложную зонную структуру, со многими ветвями (так что, дискретное квантовое число
включает не только указатель спиновой поляризации, но и номер зоны), часть из которых перекрывается на шкале энергии, а от других ветвей отделяется энергетическими щелями - "запрещёнными зонами". В различных кристаллах картина зонной структуры разная, а потому и вид
разный; как правило, сложный.
То же относится и к фононным спектрам. В простых кристаллических решётках имеются три "акустические" ветви собственных частот, а в сложных решётках (с двумя или более атомами на элементарную ячейку) добавляются "оптические" ветви:
штук, где
- количество атомов в элементарной ячейке; общее число ветвей равно
. Вот для примера фононный спектр кристалла GaAs (кубическая симметрия, 2 атома на ячейку); плотность состояний показана зачернённым вертикальным графиком справа (DOS - density of states):
Суммарное среднее количество энергии
, которую имеют частицы, находящиеся в квантовых состояниях в интервале энергии
на шкале одночастичной энергии
, равно среднему количеству частиц, умноженному на
, т.е. оно тоже зависит от плотности состояний:
,
,
.
Проинтегрировав эти выражения, получим среднее количество энергии
и
имеющейся в электронной, фононной и фотонной подсистемах системы "твердое тело с полостью плюс фотоны в полости". Отсюда понятно, что "раскладка" суммарной энергии системы по подсистемам и по диапазонам шкалы
не универсальна, а тоже зависит от материала, т.к. определяется разного рода плотностью состояний в материале.
Стоит ещё раз подчеркнуть, что функции распределения Ферми-Дирака и Планка (и выводы с их применением) справедливы в приближении "идеального газа", т.е. в пренебрежении энергией взаимодействия частиц друг с другом. Это не означает полного пренебрежения взаимодействием. Можно представлять себе дело так, будто акты взаимодействия частиц достаточно редкие, но именно они в пределе
(что на практике может означать
где
- среднее время между актами взаимодействия частиц) приводят к установлению термодинамического (теплового) равновесия в подсистемах и между подсистемами.
Скорости переходов (т.е. вероятности переходов за единицу времени) частицы из одних состояний в другие пропорциональны текущему количеству заселённых состояний, а в случае бозонов ещё и "плюс единица"; и пропорциональны количеству состояний, в которые частицы могут переходить. Кроме того, в них входит ещё одна модельно-зависимая величина: квадрат модуля т.н. матричного элемента оператора взаимодействия, малый в меру малости энергии взаимодействия. Т.е. вероятности переходов тоже "материало-зависимы" - они зависят от картины энергетического спектра частиц и плотности состояний в данном материале, от матричных элементов и соответствующих им "правил отбора".
Поэтому и динамика установления теплового равновесия в системе зависит от материала, от устройства системы; она может быть сложной и разной на разных интервалах времени. Но итог один: в состоянии равновесия все подсистемы характеризуются одним и тем же параметром
- температурой, и, кроме того, - универсальными функциями распределения частиц по квантовым состояниям, которые зависят от
и от химических потенциалов (разных для частиц разного сорта). Отсюда понятно, что из одних только функций распределения не следует пытаться восстановить предысторию установления теплового равновесия. Понятно также, что все подсистемы, находящиеся в тепловом равновесии друг с другом, с этой точки зрения равноправны: не следует думать, например, что электроны важнее фононов или фотонов.
Кстати, тот факт, что обсуждаемые здесь функции распределения не зависят "от материала" используется в некоторых учебниках для быстрого их "вывода"; так, функцию Планка
частенько "выводят" в модели, где стенки полости состоят из воображаемых 2-уровневых атомов, с энергиями электронных уровней
и
подобранными так, что их разность, делённая на
как раз равна частоте заданной фотонной моды
Ещё один важный аспект теплового равновесия -
наличие флуктуаций. Функции Ферми-Дирака
и Планка
дают
среднее по тепловым флуктуациям число частиц в k-ом состоянии. Число частиц флуктуирует, оно не равно всё время среднему значению. В случае фермионов в каждом квантовом состоянии может найтись либо одна частица, либо ноль частиц; вероятность найти одну частицу в k-ом состоянии совпадает с
В случае бозонов ситуация иная. Вероятность
найти заданное число фотонов n в k-ой моде равна:
.
Так, при при среднем числе фотонов k-ой моды в полости
мы с вероятностью
не обнаружим ни одного фотона, с вероятностью
обнаружим 1 фотон, с вероятностью
обнаружим 2 фотона и т.д. Вот на сей счёт картинка из учебника Лоудона "Квантовая теория света":