Устаревшая ед частотного интервала. Названа в честь франц физика Ф. Савара (F. Savart). 1 С
Вид материала | Документы |
- Синдром удлинённого интервала qt и проблемы безопасности психофармакотерапии, 109.2kb.
- Товариство з обмеженою, 119.57kb.
- Н. Г. Чернышевского кафедра теоретической и математической физики рабочая программа, 152.3kb.
- Программа по физике для 10-11 классов общеобразовательных, 75.87kb.
- Татьяна Евгеньевна Зыкова. Сюных лет ему была интересна литература, 95.59kb.
- Электронная газета в рамках «Дня науки», посвященного Году российской космонавтики, 85.16kb.
- Лекция Логические основы компьютеров , 369.25kb.
- Игра ) Имя известного ученого, в честь которого названа самая популярная программа, 21.91kb.
- Физика биологических систем, 39.45kb.
- Динамика культурных процессов в современной России, 39.45kb.
Аналогично (8) условие нормировки I в большом канонич. распределении I (9) определяет термодинамич. потенциал :
e-/kT=ne-(ξn-Nn)/kT. (11)
I Этот потенциал связан с F соотношением =F-N.
Приложения С. ф. к изучению тех I или иных св-в конкретных систем I сводятся по существу к приближённому вычислению статистич. суммы I с учётом специфич. св-в системы, упрощающих расчёт.
В случае газов таким упрощающим обстоятельством явл. их разрежённость, в силу к-рой вз-ствие между I молекулами играет относительно малую роль. В первом приближении можно вообще пренебречь этим вз-ствием и считать газ идеальным. Вз-ствие I же можно учесть как поправку. В результате. термодинамич. ф-ции удаётся представить в виде т. н. вириального разложения по малому параметру — плотности. В квант. статистике при низких темп-рах оказываются совершенно различными св-ва газов, состоящих из ч-ц с целым спином (бозонов) и полуцелым спином (фермионов), см. Вырожденный газ.
Приближённое вычисление статистич. суммы для крист. тв. тел основано на малости амплитуды колебаний атомов кристалла около их положений равновесия.
В жидкостях вз-ствие между молекулами и амплитуды их колебаний нельзя считать малыми. Поэтому вычисление термодинамич. ф-ций жидкостей требует дополнительных упрощающих предположений и сложных расчётов.
Ситуация упрощается при темп-рах, низких по сравнению с темп-рой вырождения жидкости. В этих условиях тепловое движение в жидкости можно рассматривать как появление в ней элем. возбуждений (квазичастиц), обладающих импульсом и энергией, связанными определённым дисперсии законом. При низких темп-рах эти квазичастицы образуют идеальный газ, что позволяет вычислить термодинамич. ф-ции в-в в соответствующих условиях. С теоретической точки зрения к таким квант. жидкостям относятся, кроме жидких при норм. давлении вплоть до абс. нуля темп-ры 4Не и 3Не, также электронная жидкость в металле, система спинов в ферромагнетиках и др.
Большое значение имеет представляемая С. ф. возможность вычисления констант хим. равновесия, определяющих равновесные концентрации реагирующих в-в. Термодинамич. теория даёт условие равновесия в виде равенства нулю нек-рой комбинации хим. потенциалов этих в-в. В выражения для хим. потенциалов входит постоянная Планка, поэтому квант. эффекты существенны даже для реакций между классич. газами. Важным частным случаем ф-л хим. равновесия явл. Саха формула, определяющая равновесную степень ионизации газа. При решении задач квантовой С. ф., прежде всего при исследовании св-в квант. жидкостей, важное значение имеют методы квантовой теории поля, введённые в С. ф. сравнительно недавно. Осн. роль в этих методах играет ф-ция Грина макроскопич. системы, аналогичная ф-ции Грина в квант. теории поля. Полюсы этой ф-ции определяют закон дисперсии квазичастиц. Существует регулярный метод вычисления ф-ций Грина в виде ряда по степеням энергии вз-ствия между ч-цами. Каждый член этого ряда содержит многократные интегралы по энергиям и импульсам от ф-ций Грина невзаимодействующих ч-ц и может быть изображён графически в виде диаграмм, аналогичных Фейнмана диаграммам. Каждая из этих диаграмм имеет определённый физ. смысл, что позволяет отделить в бесконечном ряду члены, ответственные за интересующее явление, и просуммировать их. Существует также диаграммная техника для вычисления температурных ф-ций Грина, позволяющих вычислить термодинамич, величины без рассмотрения квазичастиц.
При непрерывном изменении внеш. параметров (напр., давления или темп-ры) св-ва системы могут при нек-рых значениях параметров измениться скачкообразно, т. е. произойдёт фазовый переход. Фазовые переходы делятся на переходы I рода, сопровождающиеся выделением теплоты перехода и скачкообразным изменением объёма (к ним относится, напр., плавление), и II рода, в к-рых теплота перехода и скачок объёма отсутствуют (напр., переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние). Статистич. теория фазовых переходов составляет важную, но ещё далёкую от завершения область С. ф. Наибольшую трудность для теор. исследования представляют при этом св-ва в-ва вблизи линии фазового перехода II рода и вблизи критической точки фазового перехода I рода. С матем. точки зрения термодинамич. ф-ции системы имеют здесь особенности. Вблизи этих точек происходят своеобразные критические явления. В то же время здесь аномально возрастают флуктуации, и рассмотренные выше приближённые методы С. ф. оказываются неприменимыми. Поэтому важную роль играет рассмотрение точно решаемых моделей, в к-рых есть переходы (напр., т. н. модель Изинга).
В основе С. ф. лежит тот факт, что физ. величины, характеризующие макроскопич. тела в равновесных условиях, с большой точностью равны своим ср. значениям. Это равенство явл. всё же приближённым, в действительности все величины испытывают малые беспорядочные отклонения от ср. значений — флуктуации. Существование флуктуации имеет большое принципиальное значение, т. к. прямо доказывает статистич. хар-р термодинамич. закономерностей. Кроме того, флуктуации играют роль шума, мешающего физ. измерениям и ограничивающего их точность.
С. ф. неравновесных процессов. Всё большее значение приобретает кинетика физическая — раздел С. ф., изучающий процессы в системах, находящихся в неравновесных состояниях. Здесь возможны две постановки вопроса. Во-первых, можно рассматривать систему в нек-ром неравновесном состоянии и следить за её переходом в состояние равновесия. Во-вторых, можно рассматривать систему, неравновесное состояние к-рой поддерживается внеш. условиями, напр. тело, в к-ром задан градиент
721
темп-ры, протекает электрич. ток и т. п., или тело, находящееся в перемен. внеш. поле.
Если отклонение от равновесия мало, неравновесные св-ва системы описываются т. н. кинетическими коэффициентами. Примерами явл. коэфф. вязкости, теплопроводности и диффузии, электропроводность металлов и т. п. Эти величины удовлетворяют принципу симметрии кинетич. коэффициентов, выражающему симметрию ур-ний механики относительно изменения знака времени (см. Онсагера теорема). В силу этого принципа, напр., электропроводность кристалла описывается симметричным тензором.
Описание сильно неравновесных состояний, а также вычисление кинетич. коэфф. производятся при помощи кинетического уравнения. Оно представляет собой интегродифф. ур-ние для одночастичной ф-ции распределения, к-рая получается из введённой равенством (2) N-частичной ф-ции распределения интегрированием по координатам и импульсам всех ч-ц, кроме одной. В квант. случае вместо одночастичной ф-ции распределения пользуются одночастичной матрицей плотности, или статистич. оператором. Такое замкнутое, т. е. не содержащее др. величин, ур-ние невозможно получить в общем виде. При его выводе необходимо использовать малые параметры, имеющиеся в данной конкретной задаче. Важнейшим примером явл. кинетическое уравнение Больцмана, описывающее установление равновесия в газе за счёт столкновений между молекулами. Конкретный вид этого ур-ния зависит от коэфф. сечения рассеяния молекул друг на друге. Если это сечение известно, то можно вычислить кинетич. коэфф. газа. Ур-ние Больцмана учитывает только парные столкновения между молекулами и описывает только первый неисчезающий член разложения этих коэфф. по плотности газа. Удалось найти и более точное ур-ние, учитывающее также тройные столкновения, что позволило вычислить следующий член разложения.
Особую проблему представляет вывод кинетич. ур-ния для плазмы. Из-за медл. убывания кулоновских сил с расстоянием даже при парных столкновениях существенно влияние остальных ч-ц.
Неравновесные состояния тв. тел и квант. жидкостей можно при низких темп-рах рассматривать как неравновесные состояния газа соответствующих квазичастиц. Поэтому кинетич. процессы в таких системах описываются кинетич. ур-ниями для квазичастиц, учитывающими столкновения между ними и процессы их взаимного превращения.
Новые возможности открыло применение в физ. кинетике методов
квант. теории поля. Кинетич. коэфф. системы можно выразить через её ф-цию Грина, для к-рой существует общий способ вычисления при помощи диаграмм, без введения квазичастиц. Это позволяет в ряде случаев исследовать неравновесные св-ва систем, даже когда не выполняются условия применимости кинетич. ур-ния.
^ Основные вехи развития С. ф. С. ф. целиком основана на представлениях об ат. строении материи. Поэтому нач. период развития С. ф. совпадает с развитием атомистич. представлений (см. Атомная физика). Развитие С. ф. как раздела теор. физики началось в сер. 19 в. В 1859 англ. физик Дж. Максвелл определил ф-цию распределения молекул газа по скоростям. В 1860—70 нем. физик Р. Клаузиус ввёл понятие длины свободного пробега и связал её с вязкостью и теплопроводностью газа. Примерно в то же время австр. физик Л. Больцман обобщил распределение Максвелла на случай, когда газ находится во внеш. поле, доказал теорему о распределении энергии по степеням свободы, вывел кинетич. ур-ние, дал статистич. истолкование энтропии и показал, что закон её возрастания явл. следствием кинетич. ур-ния. Нем. физик П. Друде (1900) и голл. физик X. Лоренц (1904) применили кинетич. теорию для объяснения св-в металлов. Построение классич. С. ф. было завершено к 1902 в работах амер. физика Дж. У. Гиббса. Теория флуктуации была развита в 1905—06 в работах польск. физика М. Смолуховского и А. Эйнштейна. В 1900 нем. физик М. Планк вывел закон распределения энергии в спектре излучения чёрного тела, положив начало развитию как квант. механики, так и квантовой С. ф. В 1907 Эйнштейн применил квант. теорию для вычисления теплоёмкости тв. тел, а нем. физик В. Нернст (1911) — теплоёмкости газов.
В 1924 инд. физик Ш. Бозе нашёл распределение по импульсам световых квантов и связал его с распределением Планка. Эйнштейн обобщил распределение Бозе на газы с заданным числом ч-ц. Итал. физик Э. Ферми в 1925 получил ф-цию распределения ч-ц, подчиняющихся принципу Паули, а англ. физик П. А. М. Дирак установил связь этого распределения и распределения Бозе — Эйнштейна с матем. аппаратом квант. механики. Дальнейшее развитие С. ф. в 20 в. шло под знаком приложения её осн. принципов к исследованию конкретных проблем.
• Классические труды: Больцман Л., Лекции по теории газов, пер. о нем., М., 19515; его же, Статьи и речи, пер. с нем., М., 1970; Г и б б с Дж. В., Основные принципы статистической механики..., пер. с англ., М.— Л., 1946; Учебники: А н с е л ь м А. И., Основы статистической физики и термодинамики, М., 1973; Леонтович М. А., Статистическая физика, М.— Л., 1944; Ландау Л. Д.,
Л и ф ш и ц В. М., Статистическая физика, 3 изд., ч. 1, М., 1976 (Теоретическая физика, т. 5); Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П., Статистическая физика, ч. 2, М., 1978 (Теоретическая физика, т. 9); Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П., Физическая кинетика, М., 1979 (Теоретическая физика, т. 10); М а й е р Дж., Г е п п е р т-М а й е р М., Статистическая механика, пер. с англ., 2 изд., М., 1980; Р е й ф Ф., Статистическая физика, пер. с англ., М., 1977 (Берклеевский курс физики); К и т т е л ь Ч., Статистическая термодинамика, пер. с англ., М., 1977; Лит. по спец. вопросам: Абрикосов А. А., Горьков Л. П., Дзялошинский И. Е., Методы квантовой теории поля в статистической физике, М., 1962; Б а л е с к у Р., Равновесная и неравновесная статистическая механика, пер. с англ., т. 1—2, М., 1978; Боголюбов Н. Н., Проблемы динамической теории в статистической физике, М.—Л., 1946; Г у р е в и ч Л. Э., Основы физической кинетики, Л.— М., 1940; С и л и н В. П., Введение в кинетическую теорию газов, М., 1971.
Л. П. Питаевский.
^ СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНСАМБЛЬ, совокупность очень большого числа одинаковых физ. систем многих ч-ц («копий» данной системы), находящихся в одинаковых макроскопич. состояниях; при этом микроскопич. состояния системы могут различаться, но совокупность их обязательно должна отвечать заданным значениям макроскопич. параметров, определяющих её макроскопич. состояние. Примеры С. а.: энергетически изолированные системы при заданном значении полной энергии (микроканонический ансамбль Гиббса), системы в контакте с термостатом заданной темп-ры (канонический ансамбль Гиббса), системы в контакте с термостатом и резервуаром ч-ц (Гиббса большой канонический ансамбль). С. а.— понятие статистической физики, позволяющее применять к решению физ. задач методы теории вероятностей.
Д. Н. Зубарев.
^ СТАТИСТИЧЕСКИЙ ВЕС, в квантовой механике и квантовой статистике — число разл. квант. состояний с данной энергией, т. е. кратность вырождения состояния. Если энергия принимает непрерывный ряд значений, то под С. в. понимают число состояний в данном интервале значений энергии. В классич. статистике С. в. наз. величину фазового объёма системы, соответствующего данному интервалу энергии. См. Статистическая физика.
^ СТАТИСТИЧЕСКИЙ ИНТЕГРАЛ, величина Z, обратная нормирующему множителю в каноническом распределении Гиббса в статистич. физике классич. систем и равная интегралу по всем фазовым переменным р, q системы:
где Н(р, q) — Гамильтона функции, системы, зависящая от всех координат q и импульсов р её ч-ц, N — число ч-ц. С. и. позволяет вычислить все потенциалы термодинамические классич. системы, когда можно пренебречь квант. эффектами. Напр., свободная энергия (Гельмгольца энергия) F=-kTlnZ. В квант. статистич. фи-
722
зике величине С. и. соответствует статистическая сумма.
^ СТАТИСТИЧЕСКИЙ ОПЕРАТОР (матрица плотности), оператор, с помощью к-рого можно вычислить ср. значение любой физ. величины в квантовой механике и в квантовой статистической физике. С. о. описывает состояние системы, но основанное на полном (в смысле квант. механики) наборе данных о системе (смешанное состояние).
^ СТАТИСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ, см. Равновесие статистическое.
СТАЦИОНАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИНЦИП, то же, что наименьшего действия принцип.
СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ в физике, состояние физ. системы, при к-ром нек-рые существенные для хар-ки системы величины (разные в разных случаях) не меняются со временем. Напр., состояние потока жидкости стационарно, если скорость движения (и др. хар-ки) остаётся в каждой точке пр-ва неизменной. В квант. механике С. с. наз. состояние, в к-ром энергия имеет определённое (и не меняющееся со временем) значение. О С. с. в термодинамике см. Открытые системы, Пригожина теорема. Состояние системы наз. квазистационарным, если величины, при постоянстве к-рых оно было бы стационарным, медленно меняются со временем. При этом соотношения между разными св-вами системы остаются прибл. такими же, как и в С. с.
^ СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ АТОМА, состояние атома с определ. внутр. энергией, находясь в к-ром атом не излучает. Переход атома из одного стационарного состояния в другое происходит скачкообразно, при этом атом излучает или поглощает определ. порцию (квант) энергии. Каждому атому отвечает определ. набор энергий, характеризующих С. с. а.,— система уровней энергии. Существование С. с. а. было постулировано дат. физиком Н. Бором (1913) в его теории атома (см. Атомная физика) и получило обоснование в квантовой механике.
^ СТЕКЛООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ, аморфное состояние в-ва, формирующееся при затвердевании переохлаждённого расплава. Обратимость перехода из С. с. в расплав и из расплава в С. с. (стеклование) явл. особенностью, к-рая отличает С. с. от др. аморфных состояний. Постепенное возрастание вязкости расплава препятствует кристаллизации в-ва, т. е. переходу к термодинамически более устойчивому крист. состоянию с меньшей свободной энергией. Процесс стеклования характеризуется температурным интервалом. Переход в-ва из С. с. в кристаллическое явл. фазовым переходом I рода.
В С. с. может находиться значит. число простых в-в (S, Se, As, Р); окислов (В2О3, SiO2, GeO2, As2O3, Sb2O3, FeO2, V2O5); водных р-ров Н2О2, H2SO4, H3PO4, HClO4, H2SeO4, H2CrO4, NH4OH, КОН, НСl, LiCl; халькогенидов ряда элементов (As, Ge, P); нек-рых галогенидов и карбонатов. Многие из этих в-в составляют основу сложных по составу стёкол.
В-во в С. с. представляет собой жёсткую систему атомов и ат. групп, преим. с ковалентной связью между ними. Дифракц. методы исследования (рентгеновский структурный анализ, электронография, нейтронография) позволяют определить упорядоченность в расположении соседних атомов в-в в С. с. (ближний порядок, см. Дальний и ближний порядок). Измеряя дифракц. максимумы и их интенсивности, строят т. н. кривую радиального распределения атомов (рис.).
Расстояния между максимумами этой кривой соответствуют межат. расстояниям, а площадь, ограниченная максимумами, даёт информацию о ср. числе атомов, находящихся на соответствующем расстоянии от данного.
В-ва в С. с. в среднем изотропны, хрупки, имеют раковистый излом при сколе, часто прозрачны (для видимых, ИК, УФ, рентгеновских и -лучей). Местные механич. напряжения и неоднородность структуры в-ва в С. с. обусловливают двойное лучепреломление (переменное в пределах образца). Практически все стёкла слабо люминесцируют (см. Люминесценция). Для усиления этого эффекта в них добавляют активаторы — редкозем. элементы, уран и др. Используя вспомогат. возбуждение большой мощности (накачку) и подобранные активаторы, получают мощное когерентное излучение (см. Твердотельные лазеры). В-ва в С. с., как правило, диамагнитны, примеси окислов редкозем. металлов делают их парамагнитными. Из нек-рых стёкол спец. состава получают ситаллы (материалы, состоящие из одной или неск. кристаллич. фаз, равномерно распредел. в стекловидной фазе). По электрич. св-вам большинство стёкол — диэлектрики (силикатные стёкла), но есть и ПП (см. Аморфные полупроводники) и металлы (см. Металлические стёкла).
• Мотт Н., Дэвис Э., Электронные процессы в некристаллических веществах, пер. с англ., М., 1974; А п п е н А. А., Химия стекла, 2 изд., Л., 1974.
СТЕЛЛАРАТОР (от англ. stellar — звёздный), замкнутая магн. ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Предложена в 1951 Д. Спитцером (США) в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза. Принцип действия С. см. в ст. Магнитные ловушки. Магн. поле в С. создаётся с помощью внеш. проводников; его силовые линии подвергаются т. н. вращат. преобразованию, в результате к-рого эти линии много-
кратно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магн. поверхностей. Вращат. преобразование силовых линий может быть осуществлено как путём геом. деформации тороидального соленоида (напр., скручиванием его в «восьмёрку»), так и с помощью винтовых проводников, навитых на тор.
• См. лит. при ст. ^ Магнитные ловушки.
В. C. Муховатов.
СТЕН (от греч. sthenos — сила) (сн, Sn), единица силы в МТС системе единиц; 1 сн=1000Н=101,972 кгс.
СТЕНО ЗАКОН (Стенона закон): у всех кристаллов данного вещества при данных температуре и давлении двугранные углы между соответствующими гранями кристаллов (вне зависимости от размеров и формы граней) всегда одинаковы. Установлен дат. учёным Н. Стено [Стенон, Стенсен (N. Steensen, латинизир. Steno, Stenonius)] в 1669 на основании наблюдения природных кристаллов и объясняется тем, что грани крист. многогранника соответствуют плоским ат. сеткам в крист. решётке. С. з. лежал в основе гониометрич. определения и классификации крист. в-в.
• См. лит. при ст. Кристаллы, Кристаллография.
^ СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ ЧИСЛО в механике, число независимых между собой возможных перемещений механич. системы. С. с. ч. зависит от числа матер. точек, образующих систему, а также от числа и хар-ра наложенных на систему связей механических. Для свободной матер. точки С. с. ч. равно 3, для свободного тв. тела — 6, для тела, имеющего неподвижную ось вращения, С. с. ч. равно 1 и т. д. Для любой голономной системы (системы с геом. связями) С. с. ч. равно числу s независимых между собой координат, определяющих положение системы, и даётся равенством s=3n-k, где n — число точек системы, k — число геом. связей. Для неголономной системы С. с. ч. меньше числа координат, определяющих положение системы, на число кинематич. связей, не сводящихся к геометрическим (неинтегрируемым). От С. с. ч. зависит число ур-ний движения и условий равновесия механич. системы.
^ СТЕПЕНИ СВОБОДЫ, независимые возможные изменения состояния (в частности, положения) физ. системы, обусловленные вариациями её параметров. В механике С. с. соответствуют независимым перемещениям механич. системы, число к-рых определяется числом образующих систему ч-ц и наложенных на неё механич. связей (см. Степеней свободы число в механике).
В статистической физике С. с. соответствуют независимым обобщённым координатам, определяющим пол-
723
ную энергию или ^ Гамильтона функцию системы. Число С. с. позволяет оценить теплоёмкость многоат. газов и тв. тел при высоких темп-рах, когда применима классич. статистич. механика и энергия равномерно распределена по С. с. (равнораспределения закон). Однако при обычных (комнатных) темп-рах не все С. с. вносят вклад в теплоёмкость многоат. газа, нек-рые из них «выключены», т. к. могут возбуждаться лишь при достаточно высоких темп-рах.
В квантовой механике С. с. соответствуют независимым координатам, к-рые определяют гамильтониан системы. Непрерывные поля нельзя охарактеризовать конечным числом С. с.
В термодинамике С. с.— независимые термодинамич. параметры. определяющие состояние термодинамич. равновесия системы. Число С. с. / равновесной термодинамич. системы определяется Гиббса правилом фаз: f=k-+2, где k — число компонентов, — число фаз.
Д. Н. Зубарев