Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 48 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
48
Dung lượng
895,04 KB
Nội dung
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI ====== ĐÀO THỊ PHƢƠNG LAN THỐNGKÊBOSE - EINSTEINBIẾNDẠNGqTỔNGQUÁT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : PGS TS LƢU THỊ KIM THANH HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI ====== ĐÀO THỊ PHƢƠNG LAN THỐNGKÊBOSE - EINSTEINBIẾNDẠNGqTỔNGQUÁT Chuyên ngành: Vật lí thuyết vật lí toán Mã số: 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LƢU THỊ KIM THANH HÀ NỘI - 2018 LỜI CẢM ƠN Cho phép em nói lời cảm ơn tới cô giáo , thầy giáo trƣờng khoa Vật lí Trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội Ở nơi chúng em đƣợc truyền thụ tri thức nhiệt tình, tận tâm nhà giáo.Từ nguồn động viên giúp em thuận lợi hồn thành khóa học thạc sĩ Em xin cảm ơn cô giáo PGS.TS Lƣu Thị Kim Thanh, nhà giáo giàu kinh nghiệm, tận tình hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn Và em cảm ơn ngƣời thân chia sẻ khó khăn tạo điều kiện tốt để em hoàn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn ! Hà nội, ngày 15 tháng năm 2018 Học viên Đào Thị Phƣơng Lan LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thực khơng giống đề tài khác Các liệu thông tin thứ cấp đƣợc sử dụng khóa luận đƣợc trích dẫn, có nguồn gốc đƣợc cảm ơn Hà nội, ngày 15 tháng năm 2018 Học viên Đào Thị Phƣơng Lan MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Giả thuyết khoa học CHƢƠNG THỐNGKÊ BOSE-EINSTEIN 1.1 Dao động tử điều hòa 1.2 Hệ nhiều hạt đồng 1.2.1 Nguyên lý bất khả phân biệt hạt đồng 1.2.2 Các trạng thái đối xứng hóa phản đối xứng 1.2.3 Dao động tử Boson 12 1.2.3.1 Ngƣng tụ Bose - Einstein 12 1.2.3.2 Các hệ thức giao hoán toán tử sinh, hủy hạt Boson 12 1.3 Thốngkê Bose-Einstein 14 CHƢƠNG THỐNGKÊBOSE - EINSTEINBIẾNDẠNGq 19 2.1 Lý thuyết q -số 19 2.2 Dao động tử biếndạngq 20 2.3 Phổ lƣợng dao động tử biếndạngq 24 2.4 Tính phi tuyến dao động tử biếndạngq 25 2.5 ThốngkêBose - Einsteinbiếndạngq 26 CHƢƠNG PHÂN BỐ THỐNGKÊBOSE - EINSTEINBIẾNDẠNGqTỔNGQUÁT 32 3.1 Dao động tử có thốngkê vơ hạn 32 3.2 Dao động tử biếndạngqtổngquát 33 3.3 Phổ lƣợng dao động tử biếndạngqtổngquát 34 3.4 ThốngkêBose - Einsteinbiếndạngqtổngquát 35 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Bƣớc sang kỉ 20, khoa học phát triển vật lí Newton khơng thể giải thích đƣợc nhiều tƣợng tự nhiên từ cấp độ vi mô đến vĩ mô, vật lí đại đời để giải thích nhiều tƣợng vật lí mới, từ mang lại góc nhìn sâu sắc cho ngƣời tự nhiên nhƣ đồng thời thúc đẩy tiến khoa học kĩ thuật nói chung khoa học vật lí nói riêng Planck, Einstein, Bohr xây dựng thuyết lƣợng tử để giải thích cho kết thí nghiệm bất thƣờng Heisenberg, Schrodinger , Dirac cơng thức hóa học lƣợng tử để giải thích lí thuyết lƣợng tử tƣờng minh cơng thức tốn học Từ tạo bƣớc đột phá miêu tả đặc điểm tính chất giới vi mơ, giới hạt Trong vài thập kỉ gần đây, xuất phát từ toán áp dụng vật lí lƣợng tử, khái niệm toánitửisinh, hủy hạt hay cácchệ thức giaoohoán phản giao hoán đƣợc xây dựng, vấn đề trọng tâm xây dựng hàm sóng hay hàm phân bố thốngkê Một dạng đại số liên quan đến đại số lƣợng tử hay đƣợc đề cập vật lí lƣợng tử vật lí hạt đại số biến dạng, từ mở hƣớng quan tâm ngƣời yêu mơn khoa học vật lí Vật lý thốngkê có nhiệm vụ khảo sát tính chất vật lý hệ vĩ mô, hệ đƣợc cấu thành từ số lớn hạt vi mơ Thơng qua tính chất để tìm quy luật phân bố chúng Từ giải thích tƣợng, quy luật, tính chất hệ , đồng thời cho phép dự đốn chất đƣợc tạo thành thay đổi tính chất, cấu trúc hệ hạt vi mơ Nghiên cứu thốngkêbiếndạng nội dung đƣợc nhiều nhà khoa học vật lí tìm hiểu , lựa chọn đề tài “Thống kêBoseEinsteinbiếndạngqtổngquát ” làm đề tài nghiên cứu luận văn Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu thốngkêBose - Einsteinbiếndạngqtổngquát , bao gồm thốngkêbiếndạngqthốngkêBose - Einsteinnlà trƣờng hợp riêng nhận giá trị đặc biệt Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu biểu thức thốngkêBose - Einsteinnbiếnndạng qtổngquát sở nghiên cứu dao động tử biếnndạng qtổngquát lí thuyết biếndạng Đối tƣợng nghiên cứu Dao động tử điều hòa biếndạng Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp vật líilí thuyết Giả thuyết khoa học - Sử dụng phƣơng pháp lí thuyết biếndạng để tìm biểu thức thốngkêBose - Einsteinbiếndạngqtổng qt Từ tìm trở lại hàm phân bố thông thƣờng với tham số đặc biệt CHƢƠNG THỐNGKÊ BOSE-EINSTEIN 1.1 Dao động tử điều hòa "Trong học lƣợng tử, dao động tử điều hòa hạt có khối lƣợng m, chuyển động chiều theo trục ox dƣới tác dụng lực đàn hồi F=kx"[2] Hàm Hamiltonian có dạng: kxˆ Pˆx ˆ ˆ ˆ H U T 2m m. 2 ˆ ˆ H xˆ Px 2m 2 d2 ˆ m. H xˆ (1.1) 2m dx Với kí hiệu: xˆ qˆ ; pˆ x pˆ i d ( toánttử tọa độ xungllƣợng) dx Hàm Hamiltonian lúc m. 2 d m. qˆ pˆ ˆ H xˆ 2m dx 2 2m (1.2 ) Phƣơng trình Schrodinger dao động tử trạng thái dừng: Hˆ n ( x) En n ( x) (1.3) Ta tìm lƣợng hàm sóng dao động tử điều hòa Gọi ˆ ,ˆ tốn tử sinh, hủy dao động tử, lúc pˆ qˆ đƣợc đƣa vào nhƣ sau: pˆ i 21.m (ˆ ˆ ) qˆ 21 m (ˆ ˆ ) (ˆ ˆ ) pˆ i 21 m. i pˆ m. 1 ˆ ˆ qˆ 21 m qˆ m 21 lúc : pˆ 21 m ˆ qˆ i m (1.4) 21 m pˆ ˆ qˆ i m (1.5) Lúc toán tử ˆ ,ˆ thỏa mãn ˆ ,ˆ ˆ ,ˆ ˆ ,ˆ pˆ , qˆ . i Vì: (1.6) Ta chứng minh ˆ ,ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ 21 m ipˆ 21 m ipˆ 21 m ipˆ 21 m ipˆ ˆ ˆ qˆ qˆ qˆ qˆ m m m m i i ˆ ˆ qp ˆˆ (i ) pq Hamiltonian đƣợc viết theo ˆ ,ˆ : 1 m qˆ pˆ 1 21 1 2 ˆ ˆ ˆ H m ( ) i m (ˆ ˆ )2 2m m m ˆ ˆ ˆ ˆ ) ( ) ( ˆˆ 2 4 1 Hˆ ˆ ˆ 2 ˆ ˆ ˆ ˆ 2ˆ ˆ (1.7) 28 ( ) kT q e B1 lim k ( ) q.e kT k 1 i ( ) kT 1 q.e 1 i i (*) Hoàn toàn tƣơng tự 1 n ( ) 1 kT1 ( ) 1 kT B2 q e q e (**) n 0 i i Thay (*) (**) vào công thức tính tử số B biểu thức, ta có: B q q 1 1 1 1 ( ) ( ) kT kT 1 q.e 1 q e q q 1 i (q q ).e 1 1 q.e e q.e i ( i ) kT ( i ) kT q e 1 ( i ) kT ( i ) kT e ( i ) kT ( i ) kT q e 1 ( i ) kT e (2.20) ( i ) kT Tiếp tục tính mẫu số (2.19): kT1 (i Nˆ Nˆ ) Z Tr e n ne ˆ N ˆ ) ( i N kT n e ( i ).n kT n n n e n Do n n nên ( i ).n kT n n 29 e Z ( i ).n kT n Đặt x ( i ) kT Z e ( i ).n kT n 0 e n.x n e0.x e1x e2x e3x enx e1x e2x e3x e4x enx 1 ex Ta có Z x 1 e 1 e i kT e ( i ) kT ( i ) kT e (2.21) 1 Từ (2.19), (2.20) (2.21) ta tìm đƣợc ˆ kT1 (Hˆ .N)ˆ Tr N.e ( i ) kT e 1 ˆ N 1 .( i ) ( i ) kT1 (Hˆ .N)ˆ 1 kT kT e (q q ).e 1 Tr e Hàm thốngkêBose - Einsteinbiếndạngq [5] thu đƣợc e f ( i ) e .( i ) kT ( i ) kT 1 (q q ).e 1 ( i ) kT 1 e ( ) f ( i ) 2. ( ) e (q q 1 ).e ( ) i i i ( với Khi ta cho giá trị q =1 lúc hàm f ( i ) đƣợc viết lại ) kT (2.22) 30 e ( ) f ( i ) 2. ( ) e (q q 1 ).e ( ) i i i e ( ) ( ) e 2.e ( ) e ( ) 1 ( ) e ( ) 1 e i i i i i i Hàm f i e i kT e 1 1 - Einstein mà thƣờng gặp i lúc là hàm Bose 31 KẾT LUẬN CHƢƠNG Ở chƣơng tơi trình bày khái niệm số tính chất lý thuyết q -số, từ sở để khảo sát phổ lƣợng tính phi tuyến dao động tử biếndạngq Tìm hiểu nghiên cứu hàm thốngkêBose -Einstein biếndạng q, tìm lại đƣợc hàm phân bố Bose- Einstein quen thuộc cho q=1 32 CHƢƠNG PHÂN BỐ THỐNGKÊBOSE - EINSTEINBIẾNDẠNGqTỔNGQUÁT 3.1 Dao động tử có thốngkê vô hạn Dao động tử boson dao động tử fermion đƣợc đặc trƣng hệ thức : ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ Từ hệ thức trên, O.W Greenberg [9] đƣa ý tƣởng trung gian hai hệ toán tử trên, sử dụng cách lấy trung bình cộng hai hệ thức từ tìm đƣợc hệ thức tốn tử cho thốngkê vô hạn dao động tử đơn mode ˆ ˆ (3.1) Toán tử số có dạng Nˆ (ˆ )r ˆ r (3.2) Nˆ ,ˆ ˆ Nˆ ,ˆ ˆ (3.3) r1 Trong trƣờng hợp đa mode, hệ dao động tử thỏa mãn : ˆi ˆ j ij (3.4) Nˆ i ,ˆ j ijˆ j Nˆ i ,ˆ j ijˆ j (3.5) (i,j) số mode , toán tử số mode i ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ Nˆ i ˆiˆi ˆkˆi i k k k i i k k k k1k2 Toán tử tổng số mode ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ k1k2 ks k1 k2 ks i i ks k2 k1 (3.6) 33 Nˆ Nˆ 3.7) i i Không gian Hilbert tạo từ véc tơ sở lúc đƣợc xác định ˆ ˆ ni , ni , ni ˆi r n1 n2 i2 ir nr (3.8) Với m j , m j , , m js ni , ni , , ni rs i j i j i jr r 1 2 r 3.2 Dao động tử biếndạngqtổngquát Khi quan tâm tới biếndạngqtổngquát ta thấy gồm thốngkê trình bày mục 2.2 mục 3.1 trƣờng hợp đặc biệt Trong dao động tử biếndạngqtổngquát đƣợc mô tả toán tử ˆq ,ˆq tuân theo hệ thức ˆ qˆqˆq ˆq ˆq qCN ( 3.9) Xét trƣờng hợp đặc biệt: C=-1, biếndạng q, M.Chaichian [8] đƣa ˆ q.ˆqˆq ˆq ˆq q N Khi tham số C 0; q , lúc ta có đƣợc biểu thức (3.1) [6], ˆ ˆ Từ (3.9) ta có ˆq (ˆq )n q n (ˆq )nˆq nq (ˆq )n1 qCN C ˆ ( 3.10) Sử dụng kí hiệu q-số q x q Cx [x] q qC C q (3.11) Hoàn tồn tƣơng tự khơng gian Fock , dao động tử biếndạngqtổngquát thỏa mãn 34 n [n]Cq ! (ˆq ) n (3.12) ˆqˆq Nˆ q C ˆqˆq Nˆ 1 q C (3.13) 3.3 Phổ lƣợng dao động tử biếndạngqtổngquát [1],[8] Biểu diễn toán tử pˆ , qˆ theo tốn tử sinh, hủy tìm phổ lƣợng dao động tử biếndạngqtổngquát pˆ i 21.m (ˆq ˆq ) qˆ 21 m (ˆq ˆq ) (3.14) Các toán tử pˆ , qˆ thỏa mãn : pˆ , qˆ i (ˆ qˆ q ˆqˆq ) i ( Nˆ Nˆ 1 ) qq C C Lúc biểu thức toán tử Hamiltonian 1 Hˆ m qˆ pˆ 2m 2 m 21 ˆ ˆ 1 ˆ ˆ ( ) i m ( ) qq qq m 2m ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ Hˆ (q q qq ) N N 1 q 2 q C C (3.15) Phƣơng trình hàm riêng, trị riêng Hamiltonian: Hˆ n q En n q nq n 1q n q En n Và phổ lƣợng q 35 En C C n 1 q n q (3.16) Từ (3.16) ta thấy phổ lƣợng gián đoạn, với mức lƣợng nhỏ khác không , mức lƣợng liên tiếp có khoảng cách khác bậc suy biến 3.4 ThốngkêBose - Einsteinbiếndạngqtổngquát Hoàn toàn tƣơng tự, hàm thốngkê Bose- Einsteinn biếndạngqtổng qt đƣợc tìm dựa lí thuyết biếndạng việc vận dụng phân bố Gibbs suy rộng ta tính số hạt trung bình công thức ˆ kT1 ( i Nˆ N)ˆ ˆ kT1 (Hˆ i N)ˆ Tr N e Tr N e ˆ N 1 ( i Nˆ Nˆ ) kT (Hˆ i Nˆ ) Tr e kT Tr e (3.17) Trƣớc hết ta tính tử số Y biểu thức (3.17 kT1 ( Hˆ Nˆ ) ˆ Y Tr e N n 0 i ne ˆ ( i ) N) kT ne ˆ ˆ ) ( H i N kT Nˆ n Nˆ n n 0 Y n e n ( i ) kT n 0 Y e n ( i ) kT n 0 Y q qC q n q C n q qC n n 1 ( ) ( ) C kT kT q e q e n 0 n i i n kT1 ( ) C kT1 ( ) Y1 q.e , Y2 q e n 0 n Đặt C n q n i i n 36 Ta có n k ( ) kT1 ( ) Y1 q.e kT lim k q.e n 0 n i n i kT1 ( ) k 1 1 q.e Y1 lim 1 k ( ) ( ) kT kT q.e qe i i i (3.18) Hoàn toàn tƣơng tự n k C kT1 ( ) C kT1 ( ) Y2 q e 1 q e lim n 0 k n0 i n i C kT1 ( ) q e Y2 lim k ( ) q C e kT k 1 i q e i C ( i ) kT (3.19) Thay (3.18) (3.19) vào cơng thức tính tử số Y (3.17) 1 Y 1 C ( ) ( ) q q 1 qe kT q C e kT i i (q q ).e C Y q q 1 q.e C (i ) kT e Y q.e ( i ) kT q e (q q ).e C ( i ) kT q e C (i ) kT q e C 1 2 ( i ) kT ( i ) kT C e Y (i ) kT q e C 1 2 (i ) kT ( i ) kT (i ) kT q e C 1 2 (i ) kT (3.20) 37 Tiếp tục tính mẫu số Z (3.17), gọi tổngthốngkê ( tổng trạng thái hệ) kT1 (i Nˆ Nˆ ) Z Tr e n ne ˆ N ˆ ) ( i N kT n e ( i ).n kT n n n e ( i ).n kT n n n Z e ( i ).n kT n Đặt ( i ) kT x Z e kT n 0 ( i ).n e n.x n e0.x e1x e2x e3x enx e1x e2x e3x e4x enx 1 ex Ta có Z 1 e x 1 e i kT 1 e e ( i ) kT ( i ) kT 1 (3.21) 38 Thế (3.20) , (3.21) vào (3.17) e Nˆ (q q C ).e ( i ) kT (i ) kT q C 1.e 2 (i ) kT 1 e e Nˆ ( i ) kT ( q q C )e i kT 1 e kT i (i ) kT q C 1e 2 (i ) kT 1 .( ) kT 1 e kT e 1 ( ) 2 .( ) .( ) C C 1 kT kT kT q e 1 (q q ).e e e ( i ) kT i i i e Y (q q ).e C i ( i ) kT (i ) kT i q e C 1 2 (3.22) (i ) kT Cơng thức (3 22) hàm phân bố thốngkêBose - Einsteinbiếndạngqtổngquát e f ( ) e ( i ) kT ( i ) kT 1 (q q ).e C ( i ) kT q C 1 (3.23) Sau xét giá trị đặc biệt tham số biếndạng q, từ thấy đƣợc tính tổng qt hàm phân bố thốngkêBose - Einsteinbiếndạngqtổngquát - Khi q =1, tìm đƣợc hàm phân bố thốngkêBose - Einstein e f ( ) e .( i ) kT ( i ) kT 1 (q q C ).e kT ( i ) q C 1 39 e e .( i ) kT e ( i ) kT 1 (1 ).e ( i ) kT C 1 kT1 ( ) 1 e ( i ) kT 1C 1 e i ( i ) kT 1 - Khi tham số C=-1, (3.23) cho ta kết M.Chaichian[8]chính hàm thốngkêBose - Einsteinbiếndạngq e kT f ( ) e .( i ) kT e (q q ).e .( i ) kT e e ( i ) kT 1 C e f ( ) ( i ) ( i ) kT ( i ) kT 1 (q q C ).e kT ( i ) kT q C 1 .( i ) q C 1 1 (q q ).e 1 ( i ) kT - Khi tham số C 0, q thu đƣợc phân bố thốngkê vô hạn (the infinite statistics) hay phân bố Maxwell - Boltzman lƣợng tử quen thuộc e f ( i ) e .( i ) kT f ( i ) e ( i ) kT ( i ) kT 1 (q q ).e C ( i ) kT q C 1 40 KẾT LUẬN CHƢƠNG Qua việc trình bày nội dung chƣơng này, đạt đƣợc : - Nghiên cứu đƣợc hệ thức toán tử dao động tử có thốngkê vơ hạn biếndạngqtổngquát - Nghiên cứu đƣợc hàm phân bố thốngkê Bose- Einsteinbiếndạngqtổng quát, từ suy ngƣợc lại hàm thốngkê quen thuộc cho tham số nhận giá trị riêng, đặc biệt nhƣ q =1 C=1 C q tiến tới không 41 KẾT LUẬN Trong luận văn này, đã: Hệ thống kiến thức dao động tử biếndạngq cách đầy đủ thống Từ tìm hiểu nghiên cứu hàm phân bố thốngkê BoseEinstein biếndạngqtổngquát mở rộng áp dụng số kết cho thốngkê quen thuộc đƣợc tìm trƣớc Bằng việc tổng hợp nghiên cứu lí thuyết sở dao động tử điều hòa biếndạng từ hiểu rõ kiến thức vật lí lƣợng tử , từ phần hiểu rõ chất mơn vật lí lí thuyết , nhƣ có nhìn tồn diện tƣợng thực tế, đồng thời giải thích kết thực nghiệm 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Vọng Đức (1994), Generalized q- deformed oscillators and their statistics, Preprint ENSLAPP –A-494/94, Annecy France [2] Nguyễn Văn Hiệu, Nguyễn Bá Ân (2003), Cơ sở lượng tử vật lí lượng tử, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội [3] Trần Thái Hoa (2014), Cơ học lượng tử, Trƣờng đại học sƣ phạm Hà Nội [4] Nguyễn Hữu Mình, Đỗ Hữu Nha (2010), Vật lí thốngkê lượng tử, NXB Đại học Sƣ phạm [5] Lƣu Thị Kim Thanh (2001), Một số vấn đề đối xứng lượng tử vật lí vi mơ, Luận án Tiến sĩ Vật lí, Viện Vật lí, Viện Hàn Lâm Khoa Học Công Nghệ Quốc Gia Việt Nam [6].A J Macfarlane (1989), On q-analogues of the quantum harmonic oscillators and the quantum group SU(2)q, J Phys A:Math Gen.22, pp4581-4652 [7] M Chaichian, P P Kulish (1990), Quantum Lie superalgebras and qoscillator, Phys Let B234, pp.72 -85 [8] M Chaichian, R Gonzalez Felipe and C Montonen (1992), Statistics of q-oscillators, quon and relations to fractional statisics, J Phys Let B5, pp 187-193 [9] O W Greenberg (1990), Exemple Of infinite statistics, Phys Rev.Lett 64, pp 705-712 ... 1 q n q m 1 q m n q (2.3) 20 Chứng minh: m q n 1 q q m q m q ( n1) q ( n1) q q 1 q q 1 q n q n q ( m1) q ( m1) n q m 1 q q q 1 q q. .. thể q- số 0 0; q 1 1; q q q 2 q q 1 q q q q3 q 3 3 q q 2 q q q - Tính chất1: Khi q ( hoặc ) lim x x q q 1 - Tính chất 2: m q n... Einstein biến dạng q 26 CHƢƠNG PHÂN BỐ THỐNG KÊ BOSE - EINSTEIN BIẾN DẠNG q TỔNG QUÁT 32 3.1 Dao động tử có thống kê vơ hạn 32 3.2 Dao động tử biến dạng q tổng quát