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
𝛿𝑁
が
𝛿𝑁≐𝑓𝒗⋅(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+𝐻𝒙𝑿𝐻𝒑≡𝑁∑𝑖=1‖𝒑𝑖‖22𝑚(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=𝑁∑𝑖=1𝜃˙𝒙𝑖∈𝛿𝒗𝜃𝐴={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,𝛿𝒗⟩≅∫𝒙𝑿𝒑𝑷𝑄𝒙𝑿𝒑𝑷𝑒−𝛽𝐸𝐻𝒙𝑿𝒑𝑷∫𝐻𝑒−𝛽𝐸𝐻=∫𝒙𝑿𝒑𝑷∑𝑁𝑖=1𝜃˙𝒙𝑖∈𝛿𝒗𝑒−𝛽𝐸𝐻𝒙𝑿𝒑𝑷∫𝐻𝑒−𝛽𝐸𝐻
となる。あとはこれを計算していけばよい:
𝑓𝒗≅1vol𝛿𝒗∫𝒙𝒑𝑿𝑷∑𝑁𝑖=1𝜃˙𝒙𝑖∈𝛿𝒗𝑒−𝛽𝐸𝐻𝒙𝒑𝑿𝑷∫𝐻𝑒−𝛽𝐸𝐻∣
∣
∣
∣𝐻𝒙𝒑𝑿𝑷=𝐻𝒑+𝐻𝑷+𝐻𝒙𝑿を代入し、𝒑以外の積分を実行する=1vol𝛿𝒗∫𝒑∑𝑁𝑖=1𝜃˙𝒙𝑖∈𝛿𝒗𝑒−𝛽𝐸𝐻𝒑∫𝒑𝑒−𝛽𝐸𝐻𝒑∣𝜃˙𝒙𝑖∈𝛿𝒗に含まれない変数の積分を実行する=1vol𝛿𝒗∑𝑁𝑖=1∫𝒑𝑖𝜃˙𝒙𝑖∈𝛿𝒗exp(−𝛽𝐸‖𝒑𝑖‖22𝑚)∫𝒑1exp(−𝛽𝐸‖𝒑1‖22𝑚)=𝑁vol𝛿𝒗√𝛽𝐸2𝜋𝑚3∫𝒑1𝜃˙𝒙1∈𝛿𝒗exp(−𝛽𝐸‖𝒑1‖22𝑚)∣
∣
∣
∣𝜃˙𝒙1∈𝛿𝒗をデルタ関数で近似する:𝜃˙𝒙1∈𝛿𝒗≐𝛿(3)˙𝒙1−𝒗vol𝛿𝒗=𝑚3𝛿(3)𝑚˙𝒙1−𝑚𝒗vol𝛿𝒗≐𝑁√𝛽𝐸2𝜋𝑚3∫𝒑1𝑚3𝛿(3)𝒑1−𝑚𝒗exp(−𝛽𝐸‖𝒑1‖22𝑚)=𝑁√𝑚𝛽𝐸2𝜋3exp(−12𝛽𝐸𝑚‖𝒗‖2)(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
‖𝒗‖2
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‖+𝛿‖𝒗‖]
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‖+𝛿‖𝒗‖]
に含まれる粒子数
𝑓‖𝒗‖𝛿‖𝒗‖
は、式(2)を、この領域で積分すればよいので
𝑓‖𝒗‖=1𝛿‖𝒗‖4𝜋‖𝒗‖2𝛿‖𝒗‖⋅――――𝑁𝐸,𝛿𝒗vol𝛿𝒗=𝑁√2𝜋(𝑚𝛽𝐸)3‖𝒗‖2exp(−12𝛽𝐸𝑚‖𝒗‖2)
となる。
この分布のピークは、この
𝑓‖𝒗‖
を
‖𝒗‖
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。