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科学史-物理学编年史-80玻尔兹曼分布律

已有 332 次阅读 2023-1-10 06:40 |个人分类:科学史-物理学编年史|系统分类:科研笔记

科学史-物理学编年史-80玻尔兹曼分布律

时间:公元1868年。

路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Edward Boltzmann1844220日—190695日),奥地利物理学家、哲学家,热力学和统计物理学的奠基人之一。作为一名物理学家,他最伟大的功绩是发展了通过原子的性质(例如,原子量,电荷量,结构等等)来解释和预测物质的物理性质(例如,粘性,热传导,扩散等等)的统计力学,并且从统计意义对热力学第二定律进行了阐释。

麦克斯韦-玻尔兹曼分布是一个描述一定温度下微观粒子运动速度的概率分布,在物理学和化学中有应用。最常见的应用是统计力学的领域。任何(宏观)物理系统的温度都是组成该系统的分子和原子的运动的结果。这些粒子有一个不同速度的范围,而任何单个粒子的速度都因与其它粒子的碰撞而不断变化。然而,对于大量粒子来说,处于一个特定的速度范围的粒子所占的比例却几乎不变,如果系统处于或接近处于平衡。麦克斯韦-玻尔兹曼分布具体说明了这个比例,对于任何速度范围,作为系统的温度的函数。它以詹姆斯·麦克斯韦和路德维希·玻尔兹曼命名。

麦克斯韦-玻尔兹曼分布形成了分子运动论的基础,它解释了许多基本的气体性质,包括压强和扩散。麦克斯韦-玻尔兹曼分布通常指气体中分子的速率的分布,但它还可以指分子的速度、动量,以及动量的大小的分布,每一个都有不同的概率分布函数,而它们都是联系在一起的。

麦克斯韦-玻尔兹曼分布可以用统计力学来推导。它对应于由大量不相互作用的粒子所组成、以碰撞为主的系统中最有可能的速率分布,其中量子效应可以忽略。由于气体中分子的相互作用一般都是相当小的,因此麦克斯韦-玻尔兹曼分布提供了气体状态的非常好的近似。

在许多情况下(例如非弹性碰撞),这些条件不适用。例如,在电离层和空间等离子体的物理学中,特别对电子而言,重组和碰撞激发(也就是辐射过程)是重要的。如果在这个情况下应用麦克斯韦-玻尔兹曼分布,就会得到错误的结果。另外一个不适用麦克斯韦-玻尔兹曼分布的情况,就是当气体的量子热波长与粒子之间的距离相比不够小时,由于有显著的量子效应也不能使用麦克斯韦-玻尔兹曼分布。另外,由于它是基于非相对论的假设,因此麦克斯韦-玻尔兹曼分布不能做出分子的速度大于光速的概率为零的预言。

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