最概然分布

更新时间:2022-08-25 15:27

在指定N、U、V 条件下,微观状态数最大的分布出现的概率最大,该种分布即称为最概然分布.

解释

系统中微观粒子一般具有一系列离散的能量,记这些能量为ε1,ε2,……,εn,……,相应能量的粒子数目记为a1,a2,……,an,……={an}。数列{an}即为一个分布。不同时刻,分布是变化的。

这些处于相同能量的粒子还可能具有不同的其他微观物理量,比如同具有动能ε的一维自由粒子动量具有两个相反的方向。这时,能量是简并的,而动量是非简并的。记每个能量下细化到非简并时的状态数目分别为k1,k2,……,kn,……={kn} ,称每一个k是该能量的简并度。上述例子相应的能量简并度为2。

某一个分布下的微观状态数,即该分布下系统所有可能出现的微观状态的总数(微观状态概念参见等概率原理或被词条附图),用符号Ω标记。对于每一个分布(见上文),它只规定了每种能量下的粒子数,而许多微观状态都满足这种分布。这些微观状态也是随时间不停发生变化。一种分布下的全部可能的微观状态数目是可以被计算出来的。这种一对多的关系来源于能量的简并(见上文),可分辨和不可分辨全同粒子的特性和泡利不相容原理等等。

根据等概率原理,各个分布下的所有的微观状态出现的概率都一样,因此,分布包含的可能微观状态数目Ω越多时,该分布出现的概率就越大。最大的Ω对应概率最大的分布,该分布称为最概然分布

对于一个系统,微观粒子每时每刻都在变化,各种分布都会出现,但它们出现的概率不同(如上文所述,原因被抽象为该分布下微观状态数不同),物理学用出现概率最大的一个分布(最概然分布)来代替当前系统微观粒子的分布,而忽略其他分布出现的可能。这种处理是合理的,因为计算表明,当粒子数足够大时,最概然分布出现的概率远远高于其他分布出现的概率。

关系

分布与微观状态数Ω有关,而Ω又与{an}和{kn}有关。而最概然{an}又和系统总能量,系统粒子总数,{kn}和{εn}有关,所以宏观和微观在数学上就被联系起来,进而可以讨论它们在物理上的联系。

著名的麦柯斯韦-波尔兹曼分布,是在最概然分布的物理意义下产生的,它只是众多分布中的一个极大值。这之后出现的费米-狄拉克分布和玻色-爱因斯坦分布也是一个最概然分布,无论是用经典方法还是系综理论,都离不开最后这步处理。这三个分布的区别在于各自的微观状态数的表达式不同,因为描述这三种分布下粒子的限定条件不同。

示例

不同的M 值代表了不同的分布,因此,M 是一个指明系统分布的特征参数。又因A 和B 是同一能

级的两个简并量子态,因此,所有微观状态有相同的能量,他们都服从等概率原理

在这个平衡系统中,最概然分布出现的概率与子数N 的平方根成反比。这就是说,随着N 增大,最概然分布出现的概率反而减小。当N抑1024 时,Pmax 抑10-12,这是一个很小的概率。那么,为什么还说最概然分布可以代表热力学系统的平衡分布呢? 图2 是不同N 时的平衡分布及最概然分布图[2] 。为清楚地显示大数,图2 中的纵坐标和横坐标都用相对值表示,前者为棕(M) / 棕max ,后者为M / N,其中M / N = 0. 5 的虚线所示即为最概然分布。

由图2 可见,随着N 增大,分布曲线变得越来越窄,换句话说,平衡分布越来越接近最概然分布。

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