149863 (Функция распределения электронов)

Функции распределении и уравнение Лиувилля.

Плазмой обычно называют систему, состоящую из N частиц, из которых, по крайней мере, часть обладает электрическим зарядомом. В наиболее общем случае плазма состоит из положительных и отрицательных ионов, свободных электронов и нейтральных молекул, находящихся п различных возбужденных состояниях. Безусловно, такие системы являются очень сложными вследствие разнообразных процессов, протекающих в них.

Д алее рассмотрим упрощен­ную модель—плазму, состоящую из смеси только заряженных частиц. Предположим, что всего имеется s сортов частиц; индексом

или обозначается сорт частиц. Пусть — число частиц сорта , тогда полное число частиц равно:

Э лектрические свойства частиц сорта характеризуются заря­дом , а динамические — массой . Обозначив через поло­жение j-й частицы сорта , а через ее импульс, гамильтониан для такой системы можно записать следую-щим образом:

(1)

г де

(2)

Гамильтониан (1) описывает полностью ионизованную плаз­му, которую можно рассматривать как предельное состояние в том смысле, в каком идеальный газ является предельным состоя­нием реального газа. Однако для вычислении даже этот гамиль­тониан является весьма сложным. Эта сложность связана глав­ным образом с громоздкостью записи: наличие нескольких сортов частиц обязательно приводит к очень громоздким выражениям, в которых каждая буква снабжена большим числом верхних и нижних индексов. Такие трудности обычно не являются прин­ципиальными и их можно обойти путем выбора еще более про­стои модели, рассматривающей плазму как однокомпонентный газ заряженных частиц. Однако, чтобы быть ближе к действитель­ности, мы должны в этом случае предположить, что заряженные частицы двигаются через среду, которая обладает противополож­ным зарядом и полностью нейтрализует полный заряд газа . Гамильтониан такой системы можно записать в виде:

(3)

Э тот гамильтониан описывает систему частиц, взаимодействую­щих по закону центральных парных сил с потенциалом , где е²—квадрат заряда (валентность частиц для простоты счи­тается равной единице). При этом потенциальная энергия взаимо­действия имеет вид:

(4)

Заметим, что рассмотрения, проводимые в данной курсовой, не ограничиваются только случаем плазмы, а могут быть применены к любой системе, гамильтониан которой записывается в виде (3). В общем случае параметр е² не имеет уже смысла электрического заряда; он является просто некоторой величиной, характеризующей силу взаимодействия. Однако оказывается удобным сохранить обо­значение е² также и в общем случае.

Следует отметить, что гамильтонианы (1) и (3) описывают газ (или плазму) в отсутствие каких-либо внешних полей. В этой части книги мы будем касаться только таких простых систем. Формальное распространение теории на случай наличия внешних полей обычно осуществляется весьма просто.

Гамильтониан (1) или (3) содержит полное динамическое описание плазмы. Из него можно вывести точные динамические уравнения движения:

(5)

О днако, даже если бы мы попытались решать эти уравнения, нам пришлось бы отказаться от этой мысли с самого начала. В нашем распоряжении имеется система 6N нелинейных дифференциаль­ных уравнений, где N — величина порядка . Следует ясно понимать, что трудности связаны не только с громоздкостью вычи-слений. Даже если бы мы могли представить себе вычисли­тельную машину, которая смогла бы решить уравнения (5), то это решение было бы абсолютно бесполезным. Действительно,чтобы придать смысл уравнениям (5), мы должны дополнить их набором из 6N начальных условий. Одновременно измерить положения и импульсы 10²³ частиц или создать такую систему, в которой положения и импульсы, всех частиц имели бы заранее установленные значения,— это абсолютно невероятно для чело­веческих возможностей. Поэтому точное формальное решение (5) было бы бесполезным при исследовании любых физических процессов.

Таким образом, нам нужно ввести такое понятие, которое бы возможно ближе соответствовало макроскопическим фактам. Таким понятием является понятие ансамбля, введенное Гиббсом. Вместо рассмотрения одной-единственной системы мы будем исследовать набор систем, которые динамически идентичны (т. о. имеют один и тот же гамильтониан), но отличаются друг от друга начальными условиями. Естественной системой координат для описания таких систем является пространство 6N-измерснии, называемое фазовым пространством, координатами в котором являются положения и импульсы 6N частиц. Такой системе в задан­ном состоянии движения будет соответствовать точка в фа­зовом пространстве. Динамическое поведение системы пред­ставляется движением этой точки вдоль траектории в фазовом про­странстве. Следовательно, ансамблю, представляющему реальную систему, соответствует «облако» точек в фазовом пространстве, которые обычно считаются непрерывно распределенными. Мате­матическое описание ансамбля дается функцией, соответствую­щей плотности «облака» в каждой точке фазового пространства:

Э ту функцию назовем N-частичной функцией распределения. Здесь следует, может быть, подчеркнуть, что это описание движе­ния отличается от описания, основанного на гамильтониане (5). Координаты х_i и импульсы р_i теперь являются независимыми пере­менными и уже не считаются функциями времени; поведение системы характеризуется изменением во времени плотности в данной точке фазового пространства .

В дальнейшем нам часто будет необходима более простая запись этой функции, или вообще любой функции F,зависящей от N импульсов и N координат. Мы будем постоянно пользоваться следующей записью:

В тех случаях, когда не могут возникнуть недоразумения, для обозначения совокупности всех импульсов от p_i до p_N мы будем использовать букву р.

Согласно хорошо известной в классической механике [1] теоремы Лиувилля, «облако», соответствующее ансамблю, дви­жется как несжимаемая жидкость и, следовательно, удовлетворяет уравнению непрерывности в фазовом пространстве:

или, используя уравнения Гамильтона (5),

(6)

Второй член в этом уравнении представляет собой скобки Пуассона и определяется соотношением:

(7)

Подставляя гамильтониан для однокомпонентного газа (3) в уравнение (6), получаем следующее уравнение Лиувилля:

(8)

где v_j = p_j/m. Заметим, что в то время как в гамильтоновом фор­мализме естественными переменными являются импульсы р_j, в формулах, связывающих микроскопические величины с макроскопическими,более удобными оказываются скорости v_j . Поэтому в дальнейшем всюду мы будем пользоваться переменными v_j вместо р_j. Если отсут­ствует магнитное поле и релятивистскими эффектами можно пре­небречь, эта замена является тривиальной. N-частичная функция распределения считается функцией координат, скоростей и вре­мени:

С оответствующая замена переменных произведена непосредст­венно в уравнении (8). В дальнейшем мы всегда будем пользоваться следующими сокращенными обозначениями:

(9)

Уравнение Лиувилля в этих обозначениях записывается в виде:

(10)

Из уравнения (10) следует, что интеграл от функции f_N по всем координатам и скоростям является постоянным во времени. Поэтому функцию f_N можно нормировать следующим образом:

(11)

После такого формального введения уравнения Лиувилля мы должны дать физическую интерпретацию понятия ансамбля. Среди авторов, обсуждавших эту проблему в литературе, до сих пор имеются некоторые разногласия, в особенности эти разно­гласия касаются известной эргодической теоремы [2]. Мы не хотим здесь вдаваться в подробности этой весьма бесплодной дискуссии, тем более что недавно были высказаны некоторые сом­нения в применимости этой теоремы к реальным физическим системам [З]. Мы будем считать, что для макроскопического наблю­дателя невозможно по одному измерению получить сведения о системе, первоначальное состояние которой определено «макро­скопически» (мы ниже вернемся еще к понятию «макроскопическое определение»). Единственное, что можно предсказать, это средний результат на основе большого числа измерений, полученных для одной и той же макроскопической системы. Предположим, что это среднее значение имеет вес, равный функции распределения f_N . Эта функция для момента времени t=0 должна быть построе­на так, чтобы она согласовывалась с имеющейся макроскопической информацией о системе. Однако вследствие большого числа частиц в системе результат любого измерения будет очень близок к сред­нему значению измеряемой величины для ансамбля (ошибка приблизительно порядка N^-1). Последнее утверждение никогда не доказывается, но является вполне естественным.

Из этого обсуждения можно сделать следующий вывод: наблю­даемое значение любой макроскопической динамической вeличины есть среднее значение соответствующей микроскопической величины с весом f_N:

(12)

Заметим теперь, что информация, заключенная в f_N , в действительности оказы-вается излишней. Для всех величин, характери­зующих макроскопическое состояние системы, таких, как плот­ность, гидродинамическая скорость и т. д., величина А (х, v) является функцией положения и скорости очень небольшого числа частиц (скажем, одной, двух и т. д.) по сравнению с полным числом частиц системы. Поэтому весом для функции А в (12) в действи­тельности является интеграл от f_N , по всем частицам, за исключе­нием тех, от которых зависит А. Такие интегралы называются приве-денными, s-частичными функциями распределения. Опреде­ляются они формулой: