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むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ

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重定しげさだこうむぎかつ斯韦–玻尔兹曼分布ぶんぷ

むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ英語えいごMaxwell–Boltzmann distribution一个描述一定温度下微观粒子运动速度的がいりつ分布ぶんぷざい物理ぶつりがく化学かがく中有ちゅうう应用。さいつね见的应用统计力学りきがくてき领域。にんなにひろし观)物理ぶつりけい统的温度おんど组成该系统的分子ぶんし原子げんしてき运动てき结果。这些粒子りゅうしゆう一个不同速度的范围,而任なん单个粒子りゅうしてき速度そくどいんあずか其它粒子りゅうしてき碰撞不断ふだん变化。しか而,对于大量たいりょうつぶ子来こらい说,处于一个特定的速度范围的粒子所占的比例却几乎不变,如果けい统处于或接近せっきん处于平衡へいこうむぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ具体ぐたい说明りょう这个比例ひれい,对于にんなん速度そくど范围,さく为系统的温度おんどてき函数かんすう。它以詹姆斯·むぎかつ斯韦みちとく维希·玻尔兹曼命名めいめい

这个分布ぶんぷ以视为一个さんむかいりょうてき大小だいしょう,它的分量ぶんりょう独立どくりつせい分布ぶんぷてき,其期もち值为0,标准。如果てき分布ぶんぷ

就呈むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ,其参すう

むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷてき物理ぶつり应用[编辑]

むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ形成けいせいりょう分子ぶんし运动论てきもと础,它解释了许多基本きほんてき气体せい质,包括ほうかつ压强扩散むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ通常つうじょうゆび气体ちゅう分子ぶんしてきそくりつてき分布ぶんぷただし它还以指分子ぶんしてき速度そくど、动量,以及动量てき大小だいしょうてき分布ぶんぷまい一个都有不同的概率分布函数,而它们都联系ざいいちおこりてき

むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ以用统计力学りきがくらい推导(まいりむぎかつ斯韦-玻尔兹曼统计)。它对应于よし大量たいりょう相互そうご作用さようてき粒子りゅうししょ组成、以碰撞为ぬしてきけい统中さいゆう可能かのうてきそくりつ分布ぶんぷ,其中量子りょうしこう应可以忽りゃくよし于气たいちゅう分子ぶんしてき相互そうご作用さよう一般都是相当小的,いん此麦かつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ提供ていきょうりょう气体じょう态的非常ひじょうこのみてき近似きんじ

ざい多情たじょう况下(れい弹性碰撞),这些条件じょうけん适用。れい如,ざい电离层かずそらとう离子たいてき物理ぶつりがくちゅうとく别对电子而言,じゅう组和碰撞げき发(也就辐射过程)重要じゅうようてき。如果ざい这个じょう况下应用むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ,就会得えとくいた错误てき结果。ただし如果系統けいとうざい恆溫こうおんそうちゅう且處於ねつ力學りきがく平衡へいこうそく使つかい發生はっせい彈性だんせい碰撞,其以ねつてき形式けいしきしつてきどうのう仍然よし恆溫こうおんそうさい以熱てき形式けいしき補償ほしょうかいらい使つかいとくむぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ依然いぜん適用てきよう。另外一个不适用麦克斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷてきじょう况,就是とう气体てき量子りょうしねつ波長はちょうえいThermal de Broglie wavelengthあずか粒子りゅうし间的距离しょう够小时,ゆかり于有显著てき量子りょうしこう应也不能ふのう使用しようむぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ。另外,ゆかり于它もとあい对论てきかり设,いん此麦かつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ不能ふのう做出分子ぶんしてき速度そくどだい光速こうそくてきがいりつ为零てき预言。

推导[编辑]

むぎかつ斯韦最初さいしょてき推导かり设了三个方向上的表现都相同,ただしきさきらいざい玻尔兹曼てきいち个推导中利用りよう分子ぶんし运动论掉了这个かり设。现在,むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ以轻えき从能量的りょうてき玻尔兹曼分布ぶんぷ推出:

其中Ni平衡へいこう温度おんどT时,处于じょうi てき粒子りゅうしすうもく具有ぐゆうのうりょう Ei かず简并 giN けい统中てき粒子りゅうしすうもくkこれ玻尔兹曼常数じょうすう。(注意ちゅういゆう时在上面うわつらてきかたほどちゅううつし简并giざい这个じょう况下,ゆびiはた指定していりょういち个单态,而不具有ぐゆうしょうどうのうりょうEiてきgiてき多重たじゅう态。)ゆかり速度そくどそくりつ与能よのうりょうゆう关,いん此方こちらほど1以用らい推出气体てき温度おんど分子ぶんしてき速度そくど间的关系。这个かたほどなかてき分母ぶんぼしょう为正则配分はいぶん函数かんすう

动量こう量的りょうてき分布ぶんぷ[编辑]

しもれつしょじゅつてき推导,あずか詹姆斯·かつひしげかつ·むぎかつ斯韦描述てき推导きさき来由らいゆみちとく维希·玻尔兹曼描述てき具有ぐゆう较少かり设的推导ゆう很大不同ふどう。它与玻尔兹曼ざい1877ねんてきさがせ讨比较接近せっきん

对于“理想りそう气体”(ゆかりもと态的相互そうご作用さよう原子げんししょ组成)てきじょう况,しょ有能ゆうのうりょう动能てき形式けいしきひろし粒子りゅうしてき动能あずか动量てき关系为:

其中p2动量むこうりょうp = [pxpypz]てき平方へいほうよし此,わが们可以把かたほど1うつしなり

其中Zこれ配分はいぶん函数かんすう,对应于方ほど1ちゅうてき分母ぶんぼざい这里,m气体てき分子ぶんし质量,T热力がく温度おんどkこれ玻尔兹曼常数じょうすう。这个Ni/Nてき分布ぶんぷあずか找到具有ぐゆう这些动量分量ぶんりょう值的分子ぶんしてきがいりつ密度みつど函数かんすうfpなりせいいん此:

歸一きいつ常數じょうすうc以通过认识到分子ぶんし具有ぐゆうにんなに动量てきがいりつ必须为1らい决定。よし此,ぽうほど4ざい所有しょゆうpxpypzうえてき积分必须1。

以证あきら

かたほど5だい入方いりがたほど4,とく

以看,这个分布ぶんぷさん独立どくりつていせい分布ぶんぷてき变量てきじょう积,其方。此外,以看动量てき大小だいしょうていむぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ,其中

のう量的りょうてき分布ぶんぷ[编辑]

利用りようp² = 2mE,以及动量てき大小だいしょうてき分布ぶんぷ函数かんすうまいり见以そくりつ分布ぶんぷてきあきら节),わが们便とくのう量的りょうてき分布ぶんぷ

よし于能りょうあずか三个呈正态分布的动量分量的平方和成正比,いん此这个分布ぶんぷ具有ぐゆうさん自由じゆうてき卡方分布ぶんぷ

其中

むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ还可以通过把气体视为量子りょうし气体らい获得。

速度そくどこう量的りょうてき分布ぶんぷ[编辑]

认识到速度そくどてきがいりつ密度みつど函数かんすうfvあずか动量てきがいりつ密度みつど函数かんすうなりせい

利用りようp = mvわが们便いた

这就むぎかつ斯韦-玻尔兹曼速度そくど分布ぶんぷざい速度そくどあいそらvxvyvzてき一块无穷小区域[dvxdvydvz]ない找到具有ぐゆう特定とくてい速度そくどv = [vxvyvz]てき气体分子ぶんしてき几率为

ぞう动量いち样,这个分布ぶんぷさん独立どくりつていせい分布ぶんぷてき变量てきじょう积,ただしかた。还可以看,对于速度そくどむこうりょう[vxvyvz],むぎかつ斯韦-玻尔兹曼速度そくど分布ぶんぷ三个方向上的分布的乘积:

其中一个方向上的分布为:

这个分布ぶんぷ具有ぐゆうせい分布ぶんぷてき形式けいしき,其方せい如所预料てき,对于静止せいしてき气体,在任ざいにん何方どなた向上こうじょうてき平均へいきん速度そくどれい

はやりつてき分布ぶんぷ[编辑]

いち惰性だせい气体ざい298.15 K(25 °C)てき温度おんどてきそくりつ分布ぶんぷ函数かんすう。y轴的单位为s/m,いん此任なん一段曲线下的面积(它表示ひょうじ速度そくど处于个范围的がいりつみやこただし无量纲的。

通常つうじょうわが们更かん兴趣于分子ぶんしてきそくりつ,而不它们てき速度そくど分量ぶんりょうむぎかつ斯韦-玻尔兹曼そくりつ分布ぶんぷ为:

其中そくりつvてい义为:

注意ちゅういざい这个かたほどちゅう,f(v)てき单位がいりつごとそくりつある仅仅そくりつてきたおせすう,如右图那样。

よし于速りつさん独立どくりつていせい分布ぶんぷてき速度そくど分量ぶんりょうてき平方へいほうてき平方根へいほうこんいん此这个分布ぶんぷむぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ

わが通常つうじょうさらかん兴趣于粒子りゅうしてき平均へいきんそくりつ,而不它们てき实际分布ぶんぷ平均へいきんそくりつさいがいしかはやりつ(众数),以及ひとしかたそくりつ以从むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷてきせい质获とく

典型てんけいてきそくりつ[编辑]

虽然以上いじょうてきかたほど给出りょうそくりつてき分布ぶんぷある具有ぐゆう特定とくていそくりつてき分子ぶんしてき比例ひれいわが通常つうじょうさらかん兴趣于粒子りゅうしてき平均へいきんそくりつ,而不它们てき实际分布ぶんぷ

さいがいしかはやりつ(最大さいだい可能かのうそくりつ)[编辑]

さいがいしかはやりつvpけい统中にんなん分子ぶんしさいゆう可能かのう具有ぐゆうてきそくりつ,对应于f(v)てき最大さいだい值或众数よう它求出来できわが们计さんdf/dvごく值法,はた其設为零,しかきさきvもとめかい

とく

其中Rこれ气体常数じょうすうM = NAmぶつ质的尔质りょう

对于室温しつおん(300Kしたてき氮气(そらてき主要しゅよう成分せいぶん),とくm/s。

平均へいきんそくりつ[编辑]

平均へいきんそくりつそくりつ分布ぶんぷてき数学すうがくもち

近似きんじどく

ほうひとしそくりつ[编辑]

ほうひとしはやりつvrmsそくりつてき平方へいほうてき平均へいきん值的平方根へいほうこん

三种典型速率的关系[编辑]

它们具有ぐゆう以下いかてき关系:

[1]

統計とうけいてき推導方式ほうしき[编辑]

むぎかつ斯韦-玻尔兹曼分布ぶんぷ也可直接ちょくせつよし氣體きたいそくりつひとし向性こうせい以及分離ぶんり變數へんすうてき假設かせつ微分びぶんかたほど計算けいさんいた指數しすう函數かんすう形式けいしき微分びぶんかたほどかいてき定數ていすうこうそくよし粒子りゅうし總數そうすう以及かたひとしそくりつ和波わなみ茲曼常數じょうすうてき氣體きたい動力どうりょくろん關係かんけい兩者りょうしゃ聯立れんりつとくかい.しょう外部がいぶ連結れんけつ.

あい对论气体てきそくりつ分布ぶんぷ[编辑]

电子气体ざい不同ふどう温度おんどてきMaxwell-Juttnerそくりつ分布ぶんぷ (あい对论むぎかつ斯韦分布ぶんぷ)

とう气体越来ごえくえつ热时,kT趋于あるちょうmc2,这个しょう对论むぎかつ斯韦气体てきそくりつ分布ぶんぷよしMaxwell-Juttner分布ぶんぷ给出:[2]:

其中 だい类变がた贝塞尔函すう

参考さんこう文献ぶんけん[编辑]

  1. ^ はたまことごう. 热学. 高等こうとう教育きょういく出版しゅっぱんしゃ. : 65页. ISBN 978-7-04-013790-3. 
  2. ^ Synge, J.L., The relativistic gas, Noord-Holland, 1957

外部がいぶ链接[编辑]

まいり[编辑]