统计物理 · 第二部分 统计热力学 · 第 8 章

巨正则系综

The Grand Canonical Ensemble
已完成讲义更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0
本章目标

处理粒子数可以变化的系统(与粒子源交换粒子),导出巨正则分布及其与热力学的联系,讨论粒子数涨落,并以理想气体和吸附为例。本章最后的"量子统计预告"说明为什么 N!N! 修正只在稀薄极限下成立。

§8.1巨正则分布的推导

系统 S 与一个大的"热–粒子源" R 接触,二者可以交换能量与粒子;S+R 孤立,EtotE_{\mathrm{tot}}、NtotN_{\mathrm{tot}} 固定。系统处于"含 NN 个粒子、处于第 ii 个微观态(能量 EN,iE_{N,i})"的概率,与 §4.1 同理,正比于源相应的微观态数:

PN,i∝ΩR(Etot−EN,i, Ntot−N)=exp⁡[SR(Etot−EN,i, Ntot−N)kB](8.1)P_{N,i}\propto\Omega_{\mathrm R}(E_{\mathrm{tot}} - E_{N,i},\ N_{\mathrm{tot}} - N) = \exp\left[\frac{S_{\mathrm R}(E_{\mathrm{tot}} - E_{N,i},\ N_{\mathrm{tot}} - N)}{k_{\mathrm B}}\right] \tag{8.1}

对两个变量作一阶泰勒展开(多元泰勒展开,提示 A3),并用 (1.8):∂SR/∂E=1/T\partial S_{\mathrm R}/\partial E = 1/T,∂SR/∂N=−μ/T\partial S_{\mathrm R}/\partial N = -\mu/T,得 SR(⋯ )/kB≈SR(Etot,Ntot)/kB−βEN,i+βμNS_{\mathrm R}(\cdots)/k_{\mathrm B}\approx S_{\mathrm R}(E_{\mathrm{tot}},N_{\mathrm{tot}})/k_{\mathrm B} - \beta E_{N,i} + \beta\mu N(高阶项可略的理由与 §4.1 相同)。于是得到巨正则分布:

PN,i=e−β(EN,i−μN)Ξ(8.2)P_{N,i} = \frac{e^{-\beta(E_{N,i} - \mu N)}}{\Xi} \tag{8.2}
Ξ(T,V,μ)=∑N=0∞∑ie−β(EN,i−μN)=∑N=0∞zNZN(T,V),z≡eβμ(8.3)\Xi(T,V,\mu) = \sum_{N=0}^\infty\sum_ie^{-\beta(E_{N,i}-\mu N)} = \sum_{N=0}^\infty z^NZ_N(T,V),\qquad z\equiv e^{\beta\mu} \tag{8.3}

Ξ\Xi 称为巨配分函数,zz 称为逸度,ZNZ_N 是 NN 粒子系统的正则配分函数。TT、μ\mu 由源决定。

§8.2与热力学的联系

把 (8.2) 代入吉布斯熵 (4.6),ln⁡PN,i=−βEN,i+βμN−ln⁡Ξ\ln P_{N,i} = -\beta E_{N,i} + \beta\mu N - \ln\Xi:

S=kB∑N,iPN,i(βEN,i−βμN+ln⁡Ξ)=U−μ⟨N⟩T+kBln⁡ΞS = k_{\mathrm B}\sum_{N,i}P_{N,i}\left(\beta E_{N,i} - \beta\mu N + \ln\Xi\right) = \frac{U - \mu\langle N\rangle}{T} + k_{\mathrm B}\ln\Xi

所以 U−TS−μ⟨N⟩=−kBTln⁡ΞU - TS - \mu\langle N\rangle = -k_{\mathrm B}T\ln\Xi。左边正是巨势 JJ((1.14)),再由 (1.24) J=−pVJ = -pV:

J(T,V,μ)=−kBTln⁡Ξ(8.4)J(T,V,\mu) = -k_{\mathrm B}T\ln\Xi \tag{8.4}
pV=kBTln⁡Ξ(8.5)pV = k_{\mathrm B}T\ln\Xi \tag{8.5}

直接对 (8.3) 求导(也可由 (1.14) 得到):

⟨N⟩=kBT(∂ln⁡Ξ∂μ)T,V=z(∂ln⁡Ξ∂z)T,V,U=−(∂ln⁡Ξ∂β)z,V(8.6)\langle N\rangle = k_{\mathrm B}T\left(\frac{\partial\ln\Xi}{\partial\mu}\right)_{T,V} = z\left(\frac{\partial\ln\Xi}{\partial z}\right)_{T,V},\qquad U = -\left(\frac{\partial\ln\Xi}{\partial\beta}\right)_{z,V} \tag{8.6}

(第一式:∂Ξ/∂μ=∑βNe−β(E−μN)\partial\Xi/\partial\mu = \sum\beta Ne^{-\beta(E-\mu N)};第二式:固定 zz 时 β\beta 只出现在 e−βEe^{-\beta E} 中。)

§8.3粒子数涨落

与 (4.13) 的推导完全相同:

⟨N2⟩−⟨N⟩2=(kBT)2∂2ln⁡Ξ∂μ2=kBT(∂⟨N⟩∂μ)T,V(8.7)\langle N^2\rangle - \langle N\rangle^2 = (k_{\mathrm B}T)^2\frac{\partial^2\ln\Xi}{\partial\mu^2} = k_{\mathrm B}T\left(\frac{\partial\langle N\rangle}{\partial\mu}\right)_{T,V} \tag{8.7}

把右边换成可测量的量。由吉布斯–杜安关系 (1.25),等温时 dμ=v dpd\mu = v\,dp(v=V/Nv = V/N),所以 (∂μ/∂v)T=v(∂p/∂v)T=−1/κT(\partial\mu/\partial v)_T = v(\partial p/\partial v)_T = -1/\kappa_T(用 (1.19):κT=−1v(∂v/∂p)T\kappa_T = -\frac1v(\partial v/\partial p)_T)。在 VV 固定时 N=V/vN = V/v,

(∂N∂μ)T,V=dNdv(∂v∂μ)T=(−Vv2)(−κT)=N2κTV\left(\frac{\partial N}{\partial\mu}\right)_{T,V} = \frac{dN}{dv}\left(\frac{\partial v}{\partial\mu}\right)_T = \left(-\frac{V}{v^2}\right)(-\kappa_T) = \frac{N^2\kappa_T}{V}

代入 (8.7):

⟨N2⟩−⟨N⟩2⟨N⟩2=kBTκTV(8.8)\frac{\langle N^2\rangle - \langle N\rangle^2}{\langle N\rangle^2} = \frac{k_{\mathrm B}T\kappa_T}{V} \tag{8.8}
  • 一般情况下右边 ∝1/V∝1/N\propto1/V\propto1/N,相对涨落 ∼N−1/2\sim N^{-1/2},巨正则系综与正则系综等价;
  • 理想气体 κT=1/p\kappa_T = 1/p:⟨N2⟩−⟨N⟩2=⟨N⟩\langle N^2\rangle - \langle N\rangle^2 = \langle N\rangle(泊松分布的特征,见 §8.4);
  • 在临界点 κT→∞\kappa_T\to\infty,密度涨落变成宏观的,导致临界乳光(第19章)。

§8.4例一:经典理想气体

ZN=qN/N!Z_N = q^N/N!(q=Vqint/λ3q = Vq_{\mathrm{int}}/\lambda^3),代入 (8.3),利用指数函数的级数 ex=∑NxN/N!e^x = \sum_Nx^N/N!(提示 A10):

Ξ=∑N=0∞(zq)NN!=ezq,ln⁡Ξ=zq(8.9)\Xi = \sum_{N=0}^\infty\frac{(zq)^N}{N!} = e^{zq},\qquad\ln\Xi = zq \tag{8.9}

由 (8.6),⟨N⟩=zq\langle N\rangle = zq;由 (8.5),pV=kBTzq=⟨N⟩kBTpV = k_{\mathrm B}Tzq = \langle N\rangle k_{\mathrm B}T——物态方程;而 z=⟨N⟩/qz = \langle N\rangle/q 即 μ=−kBTln⁡(q/⟨N⟩)\mu = -k_{\mathrm B}T\ln(q/\langle N\rangle),与 (5.8) 一致。

粒子数的分布:由 (8.2),系统中恰有 NN 个粒子的概率为 P(N)=zNZN/Ξ=⟨N⟩Ne−⟨N⟩/N!P(N) = z^NZ_N/\Xi = \langle N\rangle^Ne^{-\langle N\rangle}/N!,即泊松分布,其方差等于均值,与 §8.3 的结论一致。

泊松分布

P(N)=NˉNe−Nˉ/N!P(N) = \bar N^Ne^{-\bar N}/N!(N=0,1,2,…N = 0,1,2,\dots)。由 ∑NP(N)=1\sum_NP(N) = 1 两边对 Nˉ\bar N 求导可得 ⟨N⟩=Nˉ\langle N\rangle = \bar N 与 Var(N)=Nˉ\mathrm{Var}(N) = \bar N。它描述"大量独立的小概率事件"的计数,例如大容器中一个小体积内的分子数。(详见附录 C8。)

§8.5例二:朗缪尔吸附等温式

固体表面有 MM 个相互独立的吸附位,每个位最多吸附一个分子。空位能量为 0;吸附了分子的位能量为 −ε0-\varepsilon_0(ε0>0\varepsilon_0>0 为吸附能),被吸附分子的内部状态(如在吸附位上的振动)的配分函数记为 qsq_{\mathrm s}。表面与压强为 pp 的气体达到平衡,气体作为粒子源决定 TT 和 μ\mu。

吸附位可以区分且相互独立,所以 Ξ=ξM\Xi = \xi^M,单个吸附位的巨配分函数只有 N=0N = 0 和 N=1N = 1 两项:

ξ=1+zqseβε0(8.10)\xi = 1 + zq_{\mathrm s}e^{\beta\varepsilon_0} \tag{8.10}

覆盖度(被占吸附位的比例)由 (8.6) 得 θ=⟨N⟩/M=z ∂ln⁡ξ/∂z=zqseβε0/(1+zqseβε0)\theta = \langle N\rangle/M = z\,\partial\ln\xi/\partial z = zq_{\mathrm s}e^{\beta\varepsilon_0}/(1 + zq_{\mathrm s}e^{\beta\varepsilon_0})。平衡要求吸附相与气相的 μ\mu 相等((1.9)),而气相的逸度由 (5.8) 给出:z=eβμ=N/q气=Nλ3/(Vqint)=pλ3/(kBTqint)z = e^{\beta\mu} = N/q_{\text{气}} = N\lambda^3/(Vq_{\mathrm{int}}) = p\lambda^3/(k_{\mathrm B}Tq_{\mathrm{int}})。代入得朗缪尔等温式:

θ=Kp1+Kp,K(T)=λ3qskBTqint eε0/kBT(8.11)\theta = \frac{Kp}{1 + Kp},\qquad K(T) = \frac{\lambda^3q_{\mathrm s}}{k_{\mathrm B}Tq_{\mathrm{int}}}\,e^{\varepsilon_0/k_{\mathrm B}T} \tag{8.11}

低压时 θ≈Kp\theta\approx Kp(亨利区);高压时 θ→1\theta\to1(单层饱和)。KK 随温度升高而减小(主要来自因子 eε0/kBTe^{\varepsilon_0/k_{\mathrm B}T}):升温导致脱附。统计力学不仅给出了等温式的形式,还给出了 KK 的微观表达式。

当前温度参考温度 T0T_0
θ\theta
p/p0 (p0=1/K(T0))p/p_0\ \text{(}p_0 = 1/K(T_0)\text{)}
K(T)/K(T0)K(T)/K(T_0)
—
θ (p=p0)\theta\ \text{(}p = p_0\text{)}
—
p1/2/p0p_{1/2}/p_0
—
图 8.1朗缪尔吸附等温线 (8.11)。取 K∝T−5/2eε0/kBTK\propto T^{-5/2}e^{\varepsilon_0/k_{\mathrm B}T}(只保留 λ3/kBT\lambda^3/k_{\mathrm B}T 与指数因子的温度依赖)。升温使 KK 迅速减小,同样的压强下覆盖度下降;吸附能越大,对温度越敏感。p1/2p_{1/2} 是覆盖一半所需的压强。

§8.6量子统计预告:N! 修正的适用范围

在 §3.7 和 §4.5 中,我们用 1/N!1/N! 处理全同粒子,并指出这只在稀薄极限下准确。巨正则系综使严格处理变得简单。

对无相互作用的全同粒子,量子力学中的一个微观态由各单粒子态 jj 上的占据数 njn_j 完全确定(全同粒子不可区分,只有"每个态上有几个粒子"有意义):E=∑jnjεjE = \sum_jn_j\varepsilon_j,N=∑jnjN = \sum_jn_j。于是

Ξ=∑{nj}∏je−β(εj−μ)nj=∏j[∑nje−β(εj−μ)nj]\Xi = \sum_{\lbrace n_j\rbrace}\prod_je^{-\beta(\varepsilon_j-\mu)n_j} = \prod_j\left[\sum_{n_j}e^{-\beta(\varepsilon_j-\mu)n_j}\right]

(在正则系综中,∑jnj=N\sum_jn_j = N 的约束把各 njn_j 耦合在一起;巨正则系综对 NN 也求和,约束消失,各 njn_j 独立求和——这正是巨正则系综的优势。)

全同粒子

(详见 §P2.6) 费米子(如电子)服从泡利不相容原理,nj=0n_j = 0 或 11;玻色子(如光子、4^4He 原子)的 njn_j 可取任意非负整数。

  • 费米子:∑n=01e−β(εj−μ)n=1+e−β(εj−μ)\sum_{n=0}^1e^{-\beta(\varepsilon_j-\mu)n} = 1 + e^{-\beta(\varepsilon_j-\mu)};
  • 玻色子:几何级数 ∑n=0∞e−β(εj−μ)n=[1−e−β(εj−μ)]−1\sum_{n=0}^\infty e^{-\beta(\varepsilon_j-\mu)n} = [1 - e^{-\beta(\varepsilon_j-\mu)}]^{-1}(要求 εj>μ\varepsilon_j>\mu)。

由 ⟨nj⟩=−β−1∂ln⁡Ξ/∂εj\langle n_j\rangle = -\beta^{-1}\partial\ln\Xi/\partial\varepsilon_j(对单个 εj\varepsilon_j 求导只挑出第 jj 个因子)得

⟨nj⟩=1eβ(εj−μ)±1(+: 费米–狄拉克; −: 玻色–爱因斯坦)(8.12)\langle n_j\rangle = \frac{1}{e^{\beta(\varepsilon_j-\mu)}\pm1}\qquad(+:\ \text{费米–狄拉克};\ -:\ \text{玻色–爱因斯坦}) \tag{8.12}

经典极限:若对所有态都有 eβ(εj−μ)≫1e^{\beta(\varepsilon_j-\mu)}\gg1,分母中的 ±1\pm1 可以忽略:

⟨nj⟩≈e−β(εj−μ)≪1(8.13)\langle n_j\rangle\approx e^{-\beta(\varepsilon_j-\mu)}\ll1 \tag{8.13}

这正是玻尔兹曼分布 (5.9)。条件 e−βμ≫1e^{-\beta\mu}\gg1 即 z≪1z\ll1;对理想气体 z=N/q=nλ3/qintz = N/q = n\lambda^3/q_{\mathrm{int}},就是 (5.18) 的 nλ3≪1n\lambda^3\ll1。此时每个单粒子态的平均占据数远小于 1,几乎不会有两个粒子处于同一个态,"除以 N!N!"的计数也就准确了。当 nλ3≳1n\lambda^3\gtrsim1 时必须使用 (8.12)——这是第三部分的主题。

§8.7三种系综的比较

微正则正则巨正则
物理情境孤立系统与热源接触与热源、粒子源接触
固定的量E,V,NE,V,NT,V,NT,V,NT,V,μT,V,\mu
概率分布Pi=1/ΩP_i = 1/\OmegaPi=e−βEi/ZP_i = e^{-\beta E_i}/ZPN,i=e−β(EN,i−μN)/ΞP_{N,i} = e^{-\beta(E_{N,i}-\mu N)}/\Xi
核心函数Ω(E,V,N)\Omega(E,V,N)Z=∑ie−βEiZ = \sum_ie^{-\beta E_i}Ξ=∑NzNZN\Xi = \sum_Nz^NZ_N
热力学势S=kBln⁡ΩS = k_{\mathrm B}\ln\OmegaF=−kBTln⁡ZF = -k_{\mathrm B}T\ln ZJ=−pV=−kBTln⁡ΞJ = -pV = -k_{\mathrm B}T\ln\Xi
涨落的量无EE:σE2=kBT2CV\sigma_E^2 = k_{\mathrm B}T^2C_VEE 与 NN:σN2=kBT(∂N/∂μ)T,V\sigma_N^2 = k_{\mathrm B}T(\partial N/\partial\mu)_{T,V}
适合的问题概念基础、简单计数粒子数固定的系统(最常用)吸附、化学平衡、量子气体

三种系综在热力学极限下给出相同的热力学(§4.4、§8.3),选择哪一个只取决于计算是否方便。

自测题

  1. 用正则系综重新推导朗缪尔等温式:NN 个分子分布在 MM 个吸附位上的方式数为 (MN)\binom MN,求吸附相的 FF 与 μ吸附=∂F/∂N\mu_{\text{吸附}} = \partial F/\partial N,再令其等于气相的 μ\mu。[中间结果:μ吸附=−ε0−kBTln⁡qs+kBTln⁡θ1−θ\mu_{\text{吸附}} = -\varepsilon_0 - k_{\mathrm B}T\ln q_{\mathrm s} + k_{\mathrm B}T\ln\frac{\theta}{1-\theta}]
  2. 由 (8.12) 证明:对费米子,⟨nj⟩\langle n_j\rangle 在 εj=μ\varepsilon_j = \mu 处等于 1/21/2;T→0T\to0 时它变为阶跃函数。
  3. 设每个吸附位最多可吸附两个分子:吸附一个时能量为 −ε1-\varepsilon_1,吸附两个时总能量为 −ε2-\varepsilon_2(忽略内部自由度)。写出 ξ\xi,并求每个吸附位上的平均分子数。[答:ξ=1+zeβε1+z2eβε2\xi = 1 + ze^{\beta\varepsilon_1} + z^2e^{\beta\varepsilon_2},⟨n⟩=(zeβε1+2z2eβε2)/ξ\langle n\rangle = (ze^{\beta\varepsilon_1} + 2z^2e^{\beta\varepsilon_2})/\xi]