統計力学の問題と解答
1.1 フェルミ分布とボース分布
同種粒子 $N$ 個からなる系を考え、ハミルトニアンを $\hat H$ とする。粒子どうしは互いに独立で、エネルギー $\varepsilon_i$ の一粒子量子状態 $i$ を占有する粒子の数を $\hat n_i$ とすると、
$$\hat H = \sum_i \varepsilon_i \hat n_i , \qquad \hat N = \sum_i \hat n_i$$と書ける。各 $n_i$ がとれる値は、粒子の統計性によって次のように異なる。
- フェルミ統計の場合:同じ一粒子状態に2個以上の粒子が同時に入ることはできない。したがって $n_i = 0,\,1$ だけが許される。
- ボース統計の場合:何個でも入れる。したがって $n_i = 0,\,1,\,2,\,\dots,\,\infty$ をとれる。
(a) $\langle n_i \rangle$ の一般式
$$\langle n_i \rangle = -\frac{1}{\beta} \frac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \sum_j \ln \sum_{n_j} e^{-\beta n_j (\varepsilon_j - \mu)}$$
この式を示せ。
$\langle n_i \rangle$ を計算するための一般的な式で、フェルミ統計・ボース統計に共通。
解答
| $\langle n_i \rangle$ | $=$ | $\operatorname{Tr}\left( \hat\rho\, \hat n_i \right)$ | グランドカノニカル分布での期待値の定義。 | ||||||||||||||||||||
| $=$ | $\operatorname{Tr}\left( \dfrac{\hat n_i\, e^{-\beta(\hat H - \mu \hat N)}}{\operatorname{Tr} e^{-\beta(\hat H - \mu \hat N)}} \right)$ | 密度行列 $\hat\rho = \dfrac{e^{-\beta(\hat H - \mu \hat N)}}{\operatorname{Tr} e^{-\beta(\hat H - \mu \hat N)}}$ の定義を代入。 | |||||||||||||||||||||
| $=$ | $\dfrac{\operatorname{Tr}\left( \hat n_i\, e^{-\beta \sum_j \hat n_j (\varepsilon_j - \mu)} \right)}{\operatorname{Tr} e^{-\beta(\hat H - \mu \hat N)}}$ | トレースの性質 $\operatorname{Tr}(c\hat A) = c\operatorname{Tr}\hat A$($c$ は数)。分母の $\operatorname{Tr} e^{-\beta(\hat H-\mu\hat N)}$ は数なので外に出せる。分子には $\hat H = \sum_j \varepsilon_j \hat n_j,\ \hat N = \sum_j \hat n_j$ を代入。 | |||||||||||||||||||||
| $=$ | $\dfrac{ -\dfrac{1}{\beta} \dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \operatorname{Tr} e^{-\beta \sum_j \hat n_j (\varepsilon_j - \mu)} }{\operatorname{Tr} e^{-\beta(\hat H - \mu \hat N)}}$ | 統計力学のコツ。$\dfrac{\partial}{\partial\varepsilon_i} e^{-\beta\sum_j \hat n_j(\varepsilon_j-\mu)} = -\beta\, \hat n_i\, e^{-\beta\sum_j \hat n_j(\varepsilon_j-\mu)}$ なので、逆から見れば当たり前の変形。$\hat H = \sum_i \varepsilon_i \hat n_i,\ \hat N = \sum_i \hat n_i$ を使った。 | |||||||||||||||||||||
| $=$ | $-\dfrac{1}{\beta} \dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \ln \operatorname{Tr} e^{-\beta(\hat H - \mu \hat N)}$ | 対数関数の微分 $\dfrac{\partial}{\partial x}\ln f = \dfrac{f'}{f}$ をそのまま使った(逆から見ればわかる)。 | |||||||||||||||||||||
| $=$ | $-\dfrac{1}{\beta} \dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \ln \displaystyle\prod_j \sum_{n_j} e^{-\beta n_j (\varepsilon_j - \mu)}$ |
補題 $\operatorname{Tr} e^{-\beta(\hat H - \mu \hat N)} = \displaystyle\prod_j \sum_{n_j} e^{-\beta n_j(\varepsilon_j - \mu)}$ を代入。
補題の証明(クリックで開閉) |
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これで示したかった式が示せた。$\blacksquare$ |
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| $=$ | $-\dfrac{1}{\beta} \dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \displaystyle\sum_j \ln \sum_{n_j} e^{-\beta n_j (\varepsilon_j - \mu)}$ | 対数を取っただけ($\ln \prod_j a_j = \sum_j \ln a_j$)。 | |||||||||||||||||||||
以上で示せた。$\blacksquare$
この問題で使った定義・公式
- グランドカノニカル期待値
- $\langle A \rangle = \operatorname{Tr}(\hat\rho\, \hat A)$
- 密度行列
- $\hat\rho = \dfrac{e^{-\beta(\hat H - \mu\hat N)}}{\operatorname{Tr} e^{-\beta(\hat H - \mu\hat N)}}$
- ハミルトニアン・粒子数
- $\hat H = \sum_i \varepsilon_i \hat n_i,\ \hat N = \sum_i \hat n_i$
- トレースの線形性
- $\operatorname{Tr}(c\hat A) = c \operatorname{Tr}\hat A$($c$ は数)
- 対数微分
- $\dfrac{\partial}{\partial x} \ln f = \dfrac{f'}{f}$
- 対数の性質
- $\ln \prod_j a_j = \sum_j \ln a_j$
- トレースの定義(補題)
- $\operatorname{Tr}\hat A = \sum_k \langle k | \hat A | k \rangle$
- 占有数状態(補題)
- $|\{n_i\}\rangle = |n_1, n_2, \dots\rangle$ は $\hat H,\ \hat N$ の固有状態
- 指数法則(補題)
- $e^{a+b} = e^a e^b$
(b) フェルミ分布
$$\langle n_i \rangle = \frac{1}{e^{\beta(\varepsilon_i - \mu)} + 1}$$
フェルミ統計に従う粒子について、この式を示せ。
これをフェルミ分布という。$0 \le \langle n_i \rangle \le 1$ を満たすことは明らかである。
解答
| $\langle n_i \rangle_{\mathrm{FD}}$ | $=$ | $-\dfrac{1}{\beta} \dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \displaystyle\sum_j \ln \sum_{n_j} e^{-\beta n_j (\varepsilon_j - \mu)}$ | 1.1 (a)1.1 (a) $\langle n_i\rangle$ の一般式$$\langle n_i \rangle = -\frac{1}{\beta} \frac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \sum_j \ln \sum_{n_j} e^{-\beta n_j (\varepsilon_j - \mu)}$$→ 1.1 (a) へ移動 の結果から。 |
| $=$ | $-\dfrac{1}{\beta} \dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \displaystyle\sum_j \ln \left( 1 + e^{-\beta(\varepsilon_j - \mu)} \right)$ | フェルミ・ディラック統計では $n_j = 0,\,1$ のどちらかしか取らないので、$\sum_{n_j} e^{-\beta n_j(\varepsilon_j-\mu)} = e^{0} + e^{-\beta(\varepsilon_j-\mu)}$。 | |
| $=$ | $-\dfrac{1}{\beta} \cdot \dfrac{-\beta\, e^{-\beta(\varepsilon_i - \mu)}}{1 + e^{-\beta(\varepsilon_i - \mu)}}$ | $\dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i}$ の微分を行った。$\varepsilon_i$ を含むのは $j = i$ の項だけなので、その項だけが残る。 | |
| $=$ | $\dfrac{1}{e^{\beta(\varepsilon_i - \mu)} + 1}$ | 分母分子に $e^{\beta(\varepsilon_i - \mu)}$ をかけた。 |
以上で示せた。$\blacksquare$
この問題で使った定義・公式
- 1.1 (a) の一般式
- $\langle n_i \rangle = -\dfrac{1}{\beta} \dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \sum_j \ln \sum_{n_j} e^{-\beta n_j (\varepsilon_j - \mu)}$
- フェルミ統計
- $n_j = 0,\,1$ のみ
(c) ボース分布
$$\langle n_i \rangle = \frac{1}{e^{\beta(\varepsilon_i - \mu)} - 1}$$
ボース統計に従う粒子について、この式を示せ。
これをボース分布という。
解答
| $\langle n_i \rangle_{\mathrm{BE}}$ | $=$ | $-\dfrac{1}{\beta} \dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \displaystyle\sum_j \ln \sum_{n_j} e^{-\beta n_j (\varepsilon_j - \mu)}$ | 1.1 (a)1.1 (a) $\langle n_i\rangle$ の一般式$$\langle n_i \rangle = -\frac{1}{\beta} \frac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \sum_j \ln \sum_{n_j} e^{-\beta n_j (\varepsilon_j - \mu)}$$→ 1.1 (a) へ移動 の結果から。 |
| $=$ | $-\dfrac{1}{\beta} \dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \displaystyle\sum_j \ln \frac{1}{1 - e^{-\beta(\varepsilon_j - \mu)}}$ | ボース・アインシュタイン統計では $n_j = 0,\,1,\,2,\,\dots,\,\infty$ を取れるので、公比 $e^{-\beta(\varepsilon_j-\mu)}$ の等比級数の和としてこのように書ける(収束には $\varepsilon_j > \mu$ が必要)。 | |
| $=$ | $-\dfrac{1}{\beta} \cdot \dfrac{-\beta\, e^{-\beta(\varepsilon_i - \mu)}}{1 - e^{-\beta(\varepsilon_i - \mu)}}$ | $\dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i}$ の微分を行った($\ln \dfrac{1}{1-x} = -\ln(1-x)$ として微分)。$\varepsilon_i$ を含むのは $j = i$ の項だけなので、その項だけが残る。 | |
| $=$ | $\dfrac{1}{e^{\beta(\varepsilon_i - \mu)} - 1}$ | 分母分子に $e^{\beta(\varepsilon_i - \mu)}$ をかけた。 |
以上で示せた。$\blacksquare$
この問題で使った定義・公式
- 1.1 (a) の一般式
- $\langle n_i \rangle = -\dfrac{1}{\beta} \dfrac{\partial}{\partial \varepsilon_i} \sum_j \ln \sum_{n_j} e^{-\beta n_j (\varepsilon_j - \mu)}$
- ボース統計
- $n_j = 0,\,1,\,2,\,\dots,\,\infty$
- 等比級数
- $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x}\quad(|x|<1)$
- 対数の性質
- $\ln \dfrac{1}{x} = -\ln x$