玻尔兹曼分布是一种概率分布,用于描述物理系统在热力学平衡下处于各个可能微观状态的概率。在正温度下,每个状态的统计权重都随其能量的增加而指数衰减。作为统计力学的基础性结果,玻尔兹曼分布将微观状态与宏观热行为联系起来,并给出正则系综的平衡态概率。(damtp.cam.ac.uk)
数学定义
对于以 为指标、能量为 的离散状态,系统处于状态 的概率为
其中, 是玻尔兹曼常数, 是绝对温度, 是配分函数。分子称为玻尔兹曼因子,是能量的指数函数。除以 可使各状态的概率之和等于一;要使该分布成立,这一归一化因子必须有限。(damtp.cam.ac.uk)
对于两个单独的状态,有
因此,两者的相对概率仅由能量差决定。给所有状态的能量加上同一个常数,不会改变分布。 给出了相应的热能尺度:如果能量差远大于这一尺度,高能状态的概率就会受到强烈抑制。这些结论可直接由正则系综的概率公式得出。(damtp.cam.ac.uk)
物理起源与假设
标准推导考虑一个与远大于自身的热库交换能量的系统,同时保持系统的体积和粒子数不变。系统与热库组成的整体是孤立的,总能量为 。假设这一整体所有可达微观状态出现的概率相等,则系统处于状态 的概率,正比于热库在能量为 时的状态数。(interactivetextbooks.tudelft.nl)
用热库的熵表示这一状态数,可得
对于足够大的热库,能量在系统与热库之间转移时,热库的温度变化可以忽略。将其熵展开到一阶,
再进行归一化,便得到含玻尔兹曼因子的概率分布。因此,这一推导以热平衡以及热库温度实际上保持不变为前提。它描述的是平衡时各状态的占据概率,而不是达到平衡的速率。(interactivetextbooks.tudelft.nl)
状态、能级与简并度
必须区分单个微观状态与包含多个状态的能级。如果能级 的能量为 ,简并度为 ,则该能级的总概率为
简并度表示具有相同能量的独立状态数。因此,一个高度简并的能级,其总占据数可能比简并度较低的低能级更大,尽管前者每个单独状态的概率都更小。在光谱学中解释热平衡下的能级布居时,这一区别十分重要。(physchem.no)
例如,对于能量分别为 和 的两个非简并能级,上能级的概率为
当 时,这一概率趋于零;当 时,则趋于二分之一。这些极限描述的是这个只有两个能级的有限模型,并不意味着在无限多个状态上一般也能得到均匀分布。(physchem.no)
热力学量与涨落
配分函数将状态概率与热力学联系起来。能量的期望值就是系统的内能,即
系统的亥姆霍兹自由能为
因此, 不仅是归一化常数:它对温度及其他系统参数的依赖关系决定了系统的平衡热力学性质。不过,当构型数量庞大或相互作用复杂时,计算配分函数可能十分困难。(interactivetextbooks.tudelft.nl)
由于系统与热库交换热,系统的能量会发生涨落。在体积和粒子数固定、各状态能量不随温度变化的条件下,
其中, 是定容热容。这一关系将微观能量的方差与可测量的宏观响应联系起来。(interactivetextbooks.tudelft.nl)
经典系统
在经典力学中,状态构成由位置和动量描述的连续相空间。相应的概率密度正比于 ,其中 是系统的哈密顿量;对状态的求和则变为采用适当相空间测度的积分。(damtp.cam.ac.uk)
对于非相对论性理想气体,动能 使各速度分量服从高斯分布。将具有给定速率的速度矢量数目考虑在内,便得到三维麦克斯韦—玻尔兹曼分布的速率分布形式:
因子 表明,速率分布并不只是将动能代入玻尔兹曼因子所得的结果。(damtp.cam.ac.uk)
与量子统计的关系
正则系综中的玻尔兹曼分布同样适用于量子力学:其中的状态可以是整个多粒子系统的能量本征态。因此,它并不限于经典粒子。(damtp.cam.ac.uk)
不过,完整系统状态的概率与单粒子态的平均占据数是不同的。对于理想量子气体,这些占据数服从玻色—爱因斯坦统计或费米—狄拉克统计。当占据数很小时,两者都退化为经典的指数形式:
其中, 是化学势。因此,量子占据规律并不否定正则系综中的玻尔兹曼权重;它们是采用适当的多粒子状态计数方法、应用平衡统计力学所得的结果。(damtp.cam.ac.uk)