統計力学編 第6章

分子の速度分布

ハミルトニアンが式(1)の形になる古典系では、分子の速度分布は式(2)で与えられる。

分子の速度分布が知りたい。

分子の速度分布を、統計平均を用いて計算する

分子の速度は、平衡状態が決まれば、あるきまった分布を持つだろう。その速度分布密度を 𝑓𝒗 とおく(速度が「 𝒗 周辺の微小体積 𝛿𝒗 」に含まれる粒子数 𝛿𝑁𝛿𝑁𝑓𝒗(vol𝛿𝒗) になる)。個々の分子の速度はミクロな量であるが、全体としての分布であれば、統計平均を使って計算することができるだろう。

熱力学で扱った量についてはエントロピーから計算できるわけだが、分子速度のようにそれよりもミクロ寄りの量については、平衡状態に固有のものであっても、エントロピーから計算できない。一方、統計力学を用いれば、統計平均を用いることによって時間平均を計算することができる。分子の速度分布の実際には時間的に揺らいでいるだろうが、時間平均を取れば、ある確定した値になるはずである。

6.1分子の速度分布

まずハミルトニアンを決める必要があるので、以下のものを仮定する: 𝐻𝒙𝒑𝑿𝑷=𝐻𝒑+𝐻𝑷+𝐻𝒙𝑿𝐻𝒑𝑁𝑖=1𝒑𝑖22𝑚(1) 𝒙𝑖,𝒑𝑖 はそれぞれ各分子の重心位置とその運動量であり、 𝑿𝑖,𝑷𝑖 は残りの自由度(主に回転)に対する座標と共役運動量である。 𝐻𝒑 は重心の運動エネルギー、 𝐻𝑷 はそれ以外の運動エネルギー、 𝐻𝒙𝑿 はポテンシャルを表す。知りたいのは 𝒑𝑖 の分布だけなので、 𝒑𝑖 に依存しない 𝐻𝑷,𝐻𝒙𝑿 の具体的な形を知る必要はない。分子は、古典論で扱えるとする。

この節では、統計平均を計算することにより、分子の重心の速度分布(の時間平均)を導く(式(2))

6.1.1分子の速度分布

ある速度 𝒗 、および、その周りの領域 𝛿𝒗 の適当にとる。ある時刻 𝑡 において速度が 𝛿𝒗 内にある粒子の個数 𝛿𝑁𝑡,𝐸,𝛿𝒗 は、以下のように与えられる: 𝛿𝑁𝑡,𝐸,𝛿𝒗=𝑁𝑖=1𝜃˙𝒙𝑖𝛿𝒗𝜃𝐴={1,𝐴が成り立つ0,𝐴が成り立たない これは、時間とともに揺らぐような値である。今知りたいのは、その時間平均 ――――𝛿𝑁𝐸,𝛿𝒗 である。冒頭で導入した速度分布密度 𝑓𝒗 で書くと 𝑓𝒗(vol𝛿𝒗)――――𝛿𝑁𝐸,𝛿𝒗 となる。

第2章で述べたエルゴ―ド仮説により、時間平均 ――――𝛿𝑁𝐸,𝛿𝒗 と統計平均 𝛿𝑁𝐸,𝛿𝒗 が一致することを認めることにしよう。 𝛿𝑁𝐸,𝛿𝒗 は、4.4節の統計平均のカノニカル表示において 𝑄=𝛿𝑁𝑡,𝐸,𝛿𝒗 とすればよいので ――――𝛿𝑁𝐸,𝛿𝒗=𝑁𝐸,𝛿𝒗𝒙𝑿𝒑𝑷𝑄𝒙𝑿𝒑𝑷𝑒𝛽𝐸𝐻𝒙𝑿𝒑𝑷𝐻𝑒𝛽𝐸𝐻=𝒙𝑿𝒑𝑷𝑁𝑖=1𝜃˙𝒙𝑖𝛿𝒗𝑒𝛽𝐸𝐻𝒙𝑿𝒑𝑷𝐻𝑒𝛽𝐸𝐻 となる。あとはこれを計算していけばよい: 𝑓𝒗1vol𝛿𝒗𝒙𝒑𝑿𝑷𝑁𝑖=1𝜃˙𝒙𝑖𝛿𝒗𝑒𝛽𝐸𝐻𝒙𝒑𝑿𝑷𝐻𝑒𝛽𝐸𝐻∣ ∣ ∣ ∣𝐻𝒙𝒑𝑿𝑷=𝐻𝒑+𝐻𝑷+𝐻𝒙𝑿を代入し、𝒑以外の積分を実行する=1vol𝛿𝒗𝒑𝑁𝑖=1𝜃˙𝒙𝑖𝛿𝒗𝑒𝛽𝐸𝐻𝒑𝒑𝑒𝛽𝐸𝐻𝒑𝜃˙𝒙𝑖𝛿𝒗に含まれない変数の積分を実行する=1vol𝛿𝒗𝑁𝑖=1𝒑𝑖𝜃˙𝒙𝑖𝛿𝒗exp(𝛽𝐸𝒑𝑖22𝑚)𝒑1exp(𝛽𝐸𝒑122𝑚)=𝑁vol𝛿𝒗𝛽𝐸2𝜋𝑚3𝒑1𝜃˙𝒙1𝛿𝒗exp(𝛽𝐸𝒑122𝑚)∣ ∣ ∣ ∣𝜃˙𝒙1𝛿𝒗をデルタ関数で近似する:𝜃˙𝒙1𝛿𝒗𝛿(3)˙𝒙1𝒗vol𝛿𝒗=𝑚3𝛿(3)𝑚˙𝒙1𝑚𝒗vol𝛿𝒗𝑁𝛽𝐸2𝜋𝑚3𝒑1𝑚3𝛿(3)𝒑1𝑚𝒗exp(𝛽𝐸𝒑122𝑚)=𝑁𝑚𝛽𝐸2𝜋3exp(12𝛽𝐸𝑚𝒗2)(2) これが、速度分布を与える式である。

6.1.2速度の大きさ 𝒗 の分布

式(2)を見ると、速度分布は 𝒗2 に関して指数関数的に減少することが分かる。従って、 𝒗=0 の周辺に最も多く密集することになる。エネルギーが大きくなると、大きな速度を持つようになるはずなので、不自然に見えるかもしれない。これは、 𝛿𝒗 の中の粒子数を考えているからである。速度の大きさの分布、即ち、 [𝒗,𝒗+𝛿𝒗] に含まれる粒子数を考えると、 𝒗=0 以外のところにピークを持つようになる。

これを見るために、式(2)の速度分布を、速度の大きさ 𝒗 に関するものに変形する。 [𝒗,𝒗+𝛿𝒗] に含まれる粒子数 𝑓𝒗𝛿𝒗 は、式(2)を、この領域で積分すればよいので 𝑓𝒗=1𝛿𝒗4𝜋𝒗2𝛿𝒗――――𝑁𝐸,𝛿𝒗vol𝛿𝒗=𝑁2𝜋(𝑚𝛽𝐸)3𝒗2exp(12𝛽𝐸𝑚𝒗2) となる。

この分布のピークは、この 𝑓𝒗𝒗 で微分したものがゼロになる所であり、実際に計算すると 𝒗=2𝛽𝐸𝑚 となる。ただし、鋭いピークになるわけではなく、広がりを持つ。