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在《界面问题的统计力学》一文中,我们用统计力学推导出了界面形状,界面宽度,以及界面张力。本文中,我们则用估算法迅速得出上述物理量的近似值。我们将领略到物理研究中近似的艺术。
由两相共存的物理要求,我们立即估计体系的不均匀性(沿垂直于界面的z-方向)应该由:ψ(z)=ψ0tanh(z/ζ)描述。为了定下该函数形状,需要两个参数,即决定振幅的ψ0和决定过渡宽度的ζ。
分析统计力学模型:
(1)
其中,局域自由能密度:
(2)
这是一个朗道(Landau)连续相变理论所需要的双阱函数结构(double-well)。
(I)估算序参量ψ0
平均场理论中,序参量由最小化(2)给出。(2)的两项分别是ψ的单调递减和递增函数,最小值处大约两项(绝对值)相等。因此:
(3)
(II)估算界面宽度ζ
考虑朗道自由能(1)。通过量纲估算如下:
(4)
其中,|f0|是本问题的特征能垒高度,由(2)知道:|f0|≈(-τ)ψ02.
(4)中的两项分别是特征长度L的单调递增和递减函数,界面宽度ζ由(4)对L的最小化得到。因此,大约有:
(5)
我们发现,这里得到的界面宽度ζ正等于在朗道自由能模型里的涨落关联长度。
场论中,界面问题(Domain Wall)对应于一个孤子(soliton)解,表现为一个 kink,是场论的一个非微扰解。孤子的尺寸对应于界面宽度ζ。另一方面,关联长度对应于微扰场论中传递相互作用的介子(meson)之尺寸。这里,我们已经看到孤子的尺寸等于介子的尺寸。
(III) 估算界面张力γ
界面张力大约为最小化的F/A.因此有:
(6)
在场论中,该能量对应于孤子(soliton)的质量,其反比于相互作用耦合常数a4说明了孤子是场论的一个非微扰解。
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GMT+8, 2024-11-24 02:06
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