Basics of Statistical Physics pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Harald J. W. Muller-Kirsten

出品人:

页数:224

译者:

出版时间:2009-8

价格:$ 58.00

装帧:

isbn号码:9789814287227

丛书系列:

图书标签:

Statistical Physics
Thermodynamics
Condensed Matter Physics
Physics
Statistical Mechanics
Equilibrium Statistical Mechanics
Non-Equilibrium Statistical Mechanics
Phase Transitions
Critical Phenomena
Brownian Motion

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具体描述

Statistics links microscopic and macroscopic phenomena, and requires for this reason a large number of microscopic elements like atoms. The results are values of maximum probability or of averaging. This introduction to statistical physics concentrates on the basic principles, and attempts to explain these in simple terms supplemented by numerous examples. The basic principles concentrated on are the difference between classical and quantum statistics, the a priori probabilities as related to degeneracies, the vital aspect of indistinguishability as compared with distinguishability in classical physics, the differences between conserved and nonconserved elements (the latter including photons and phonons), the different ways of counting arrangements in the three statistics (Maxwell-Boltzmann, Fermi-Dirac, Bose-Einstein), the difference between maximization of the number of arrangements of elements in these and averaging in the Darwin-Fowler method. Significant applications to solids, radiation and to electrons in metals are treated in separate chapters. Finally the Bose-Einstein distribution is rederived under condensation conditions. Each chapter concludes with examples and exercises.

《统计物理基础：从微观到宏观的桥梁》这本书深入探索了统计物理学的核心原理，旨在为读者构建一座理解宏观世界背后微观规律的坚实桥梁。统计物理学，作为连接原子、分子等微观粒子行为与我们日常所见的物质性质（如温度、压力、熵等）的关键学科，为我们揭示了事物演化的根本机制。本书将带领读者穿越由无数粒子组成的奇妙世界，理解集体行为如何涌现出复杂而有序的宏观现象。第一章：引言：统计物理的魅力与必要性本章将首先阐述统计物理学的研究范畴及其在现代科学中的核心地位。我们将看到，无论是浩瀚宇宙中的星系演化，还是微观粒子世界的量子纠缠，统计的思想无处不在。本书将强调，理解统计物理学不仅是对物理学本身的深入，更是对信息论、生物学、经济学乃至社会学等众多领域产生深刻启示的必备知识。我们将介绍统计物理学的发展简史，从玻尔兹曼、吉布斯等先驱的奠基性工作，到现代统计场论的蓬勃发展，勾勒出其思想的演进轨迹。同时，本章也将明确本书的学习目标，为读者指明一条清晰的学习路径。第二章：统计系综：描述宏观系统的工具箱核心概念“统计系综”的介绍将是本章的重点。我们将深入剖析微正则系综、正则系综以及巨正则系综这三种最基本的系综，并详细阐述它们各自的适用条件和物理意义。例如，微正则系综描述的是一个孤立系统，其能量、粒子数和体积都固定不变；正则系综则允许系统与一个恒温热库进行能量交换，从而保持温度恒定；而巨正则系综则进一步允许系统与外界进行粒子数和能量的交换。我们将通过清晰的数学推导和生动的物理图像，帮助读者理解这些系综是如何捕捉系统在宏观尺度下的概率分布的。本章还会讨论系综平均与时间平均之间的关系，这是统计力学中的一个重要概念，即“遍历假设”，并探讨其适用性和局限性。第三章：玻尔兹曼分布与麦克斯韦-玻尔兹曼统计本章将聚焦于描述经典粒子系统中粒子能量分布的玻尔兹曼分布。我们将从微正则系综出发，通过组合数学和概率论的工具，推导出粒子处于不同能量状态的概率正比于 $e^{-eta E_i}$ 的关系，其中 $eta$ 是与温度相关的量。我们将详细解释这个指数衰减的形式，以及它如何解释为什么在宏观系统中，低能量状态比高能量状态更可能被占据。在此基础上，我们将介绍麦克斯韦-玻尔兹曼统计，分析其在理想气体中的应用，如推导出粒子的速度分布函数，计算气体的压强、内能和热容等宏观量。本章将通过丰富的实例，如气体分子的碰撞、扩散等现象，来生动地说明玻尔兹曼分布的普适性和重要性。第四章：费米-狄拉克统计与玻色-爱因斯坦统计：量子世界的两极随着我们进入微观粒子的量子世界，经典统计的局限性便显露出来。本章将深入介绍量子统计的两大支柱：费米-狄拉克统计和玻色-爱因斯坦统计。我们将阐述泡利不相容原理在费米子（如电子、质子）统计中的关键作用，以及它如何导致了费米能、费米气体等概念的出现。我们将分析在低温下，电子在金属中的行为，以及它如何解释金属的导电性和热容。接着，我们将讨论玻色子（如光子、氦原子）的统计行为，解释其特殊的聚团效应，即在极低温度下，大量玻色子会占据同一低能态，形成玻色-爱因斯坦凝聚。本章将通过对激光、超流氦等现象的分析，直观地展示量子统计的奇妙之处。我们将详细推导费米-狄拉克分布和玻色-爱因斯坦分布，并探讨它们在不同温度和密度下的行为特性。第五章：相变：从有序到无序的飞跃相变是物质世界中最常见也最令人着迷的现象之一，例如水结冰、金属熔化等。本章将从统计物理的视角，深入剖析相变的本质。我们将介绍不同阶相变的分类，如一级相变和二级相变，并详细解释它们在热力学性质上的表现，如潜热、比热容的变化等。我们将引入临界现象的概念，探讨在临界点附近，系统出现的标度律和涨落行为。本章还将介绍一些重要的相变模型，如伊辛模型，它能够很好地描述铁磁材料的相变过程。通过对这些模型的分析，我们将理解短程相互作用如何能够涌现出宏观的长程有序性。相变理论不仅在凝聚态物理中有广泛应用，也在宇宙学、粒子物理等领域发挥着重要作用。第六章：涨落：微观世界的扰动与宏观表现 “涨落”是统计物理学中一个至关重要的概念，它揭示了微观世界固有的不确定性如何影响宏观系统的性质。本章将深入探讨各种类型的涨落，包括能量涨落、粒子数涨落以及密度涨落等。我们将通过清晰的数学推导，量化这些涨落的幅度，并解释它们是如何与系统的平均量相关联的。一个重要的例子是布朗运动，即悬浮在流体中的微小粒子所做的无规则运动。本章将解释布朗运动是流体分子随机碰撞的结果，并通过统计方法描述粒子的位移分布。我们将介绍爱因斯坦在解释布朗运动时所做出的杰出贡献，以及这如何成为原子论的有力证据。涨落概念在很多领域都有应用，例如在化学反应速率的计算、生物系统的信号传递等方面。第七章：熵与信息：衡量无序与获取知识的尺度熵，作为热力学中的一个核心概念，在统计物理学中扮演着至关重要的角色。本章将深入探讨熵的统计力学定义，即与系统微观状态数量相关的玻尔兹曼熵公式 $S = k ln Omega$。我们将解释熵是如何衡量一个系统的无序程度的，以及它如何与热力学第二定律紧密联系。更重要的是，本章将引入熵与信息之间的深刻联系。我们将讨论信息熵的概念，并解释它与热力学熵之间的相似性。通过分析信息论中的香农熵，我们将理解信息是如何被量化和处理的，以及这与系统状态的不确定性有何关联。我们将探讨信息如何能够“负熵”，从而在某些系统中驱动有序性的产生。第八章：不可逆过程与耗散结构：走向复杂性的源泉在现实世界中，绝大多数过程都是不可逆的。本章将聚焦于不可逆过程的研究，并介绍耗散结构这一新兴而重要的概念。我们将解释为什么自然界倾向于走向熵增，以及耗散结构如何在远离平衡态的开放系统中自发产生和维持。我们将讨论普利高津的耗散结构理论，解释其在化学振荡、生物进化等现象中的应用。通过分析自组织现象，我们将理解如何在简单的规则下涌现出复杂的、具有特定结构的宏观行为。本章将展现统计物理学在理解生命现象和地球系统演化等复杂系统中的强大能力。第九章：应用与展望：统计物理学的广阔疆域本书的最后一章将回顾前面所学的统计物理学原理，并展望其在各个领域的广泛应用。我们将探讨统计物理学在凝聚态物理中的作用，如超导、磁性材料的研究；在统计力学模型中的应用，如蒙特卡洛模拟和计算物理；以及在生物物理学中的应用，如蛋白质折叠、分子马达等。此外，我们还将简要介绍统计物理学在金融市场分析、交通流模拟、社会动力学等非传统领域的应用，展示其作为一种通用思维方式的强大生命力。最后，本章将对统计物理学的未来发展趋势进行展望，例如在量子信息、复杂网络、人工智能等前沿领域可能扮演的角色，鼓励读者在未来的学习和研究中，继续探索统计物理学的无限可能。