Kinetic Theory of Gases pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Abique Books

作者:Professor Ima Kook

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2002-12-01

价格:USD 12.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781892298270

丛书系列:

图书标签:

• 气体动力学
• 统计物理
• 热力学
• 分子物理
• 物理学
• 气体
• 动理论
• Boltzmann分布
• 麦克斯韦分布
• 输运现象

凝聚态物理的奇妙疆域：从量子涨落到拓扑绝缘体 本书导言： 本书带领读者深入凝聚态物理学的广袤世界，探究物质在宏观尺度下展现出的复杂而迷人的集体行为。凝聚态物理，作为现代物理学的核心分支之一，致力于理解由大量粒子（原子、电子等）构成的系统在特定条件（如低温、高压或强磁场）下所呈现的各种新奇状态，如超导、磁性、液晶以及新型量子材料。我们着重探讨如何运用从量子力学到统计物理的理论工具，来描述和预测这些集体现象的微观起源及其宏观表现。 本书的叙述结构旨在构建一个清晰的知识阶梯，从基础概念的复习开始，逐步深入到前沿研究领域。我们首先回顾了晶格振动、电子在周期势场中的行为等基本模型，随后将焦点转向描述电子之间、或电子与其他激发态之间相互作用的理论框架。 --- 第一部分：周期晶格中的电子与准粒子概念 本部分是理解凝聚态系统复杂性的基石。我们首先重访布洛赫定理，它揭示了电子在完美周期晶格中运动的本质——它们不再是自由粒子，而是以准自由态（准粒子）的形式运动，拥有特定的能量带结构（能带）。 第一章：晶格振动与声子 物质的集体振动是理解热力学性质（如比热、导热性）的关键。我们详细分析了晶格的谐振模型，导出了晶格的正常模式，并引入了声子的概念。声子作为晶格振动的量子化激发态，其扮演的角色类似于一个准粒子。我们探讨了德拜模型和爱因斯坦模型如何成功地描述固体在不同温度下的热容，并讨论了声子-声子散射在决定材料热导率中的重要性。此外，本章也触及了声子在电子输运中的散射机制。 第二章：能带理论的深入探究 本章深化了布洛赫电子理论。我们通过更严谨的数学方法推导了晶格势能对电子能谱的重塑。重点讨论了有效质量的概念，解释了为何在能带的特定区域，电子的行为可以被描述为一个有效质量更小的准粒子，这对于理解半导体中的载流子输运至关重要。我们分析了晶格缺陷（如杂质、空位）对能带结构和电荷输运的微扰效应，这是理解本征与非本征半导体物理的基础。我们还引入了拓扑概念的初步视角，简要讨论了能带的几何特性，为后续的拓扑材料章节做铺垫。 第三章：电子的相互作用与费米液体理论 当电子密度较高时，电子间的库仑排斥作用变得不可忽略。本章的主体是费米液体理论（Landau’s Fermi Liquid Theory）。尽管实际的电子系统（如金属）充满了强烈的相互作用，但该理论的精妙之处在于，它证明了在足够低温下，系统的行为可以被描述为一系列准粒子的集合，这些准粒子是相互作用的电子被“重整化”后的结果，它们保留了单粒子行为的大部分特征，但其寿命和有效质量发生了改变。我们详细阐述了朗道准粒子激发谱的构建，并讨论了费米液体如何解释核磁共振弛豫时间、比热系数中电子的贡献，以及电子-电子散射对电阻率的贡献。本章也简要提及了非费米液体（Non-Fermi Liquid）现象，作为对标准费米液体理论的突破口。 --- 第二部分：电子系统的集体激发与相变 在第二部分，我们将注意力从描述单个准粒子的输运性质，转向描述更大尺度的、具有长程关联的集体现象，特别是相变和新兴的量子态。 第四章：平均场理论与相变 本章聚焦于描述系统从无序到有序转变的通用框架——平均场理论。我们以伊辛模型（Ising Model）为例，阐释了自发磁化现象的起源。通过平均场近似，我们能够计算出关键的相变温度（居里温度）。随后，我们将理论扩展到更一般的薛定谔-朗之万方程框架，讨论了平均场理论在描述液晶相变和铁电性中的应用。虽然平均场理论有其局限性（如无法描述临界指数），但它是理解长程有序现象的起点。 第五章：涨落、重整化群与临界现象 为了克服平均场理论在临界点附近的缺陷，我们引入了重整化群（Renormalization Group, RG）方法。RG理论是凝聚态物理中最强大的工具之一，它允许我们系统地研究系统在不同尺度下的行为。本章详细解释了如何通过“粗粒化”（coarse-graining）来定义有效的耦合常数，并确定其在尺度变化下的演化。我们利用RG方法计算了特定模型的临界指数，并展示了普适性的概念——即不同物理系统在相变点附近表现出相同的临界行为，这完全由系统的对称性和维度决定。 第六章：磁性材料的微观基础 本章深入探讨了材料中的磁性起源。我们从电子的自旋（泡利不相容原理的直接体现）出发，引入了海森堡模型（Heisenberg Model），这是描述磁性相互作用的微观模型。我们区分了铁磁性（Ferromagnetism）、反铁磁性（Antiferromagnetism）以及更复杂的磁序，如螺旋磁性。重点讨论了交换相互作用的量子力学起源，以及它如何通过平均场或更先进的统计方法（如使用斯莱特行列式的近似）来决定宏观磁矩的指向和长程有序的形成。 --- 第三部分：超越传统激发：量子场论与拓扑态 本部分将目光投向现代凝聚态物理中最激动人心的领域：那些无法用传统准粒子理论完美描述的量子态，特别是涉及拓扑不变量和强关联效应的系统。 第七章：超导性：库珀对的形成 超导电性是宏观量子现象的典范。我们从伦敦方程和金兹堡-朗道（Ginzburg-Landau, GL）唯象理论入手，建立描述超导态的序参量。随后，深入剖析了BCS理论的核心机制：通过电子-声子媒介的有效吸引作用，形成库珀对。本章详细解释了配对的机制、超导能隙的形成，以及约瑟夫森效应的微观解释。我们还将讨论第二类超导体中的磁通量钉扎和涡旋动力学。 第八章：量子霍尔效应与拓扑不变量 这是一个革命性的领域。我们分析了在强磁场和低温下，二维电子气（2DEG）的朗道能级结构。重点讨论了整数朗道能级的量子化电导，并引入拓扑不变量——陈数（Chern Number）——来精确解释量子霍尔电导的精确整数值。我们解释了边缘态（Edge States）如何保护了这种输运的鲁棒性，使得缺陷和杂质无法散射载流子。此章为理解拓扑绝缘体奠定了严格的数学基础。 第九章：拓扑绝缘体与拓扑超导体 本章是本书的前沿总结。我们阐述了如何将拓扑概念推广到无磁场条件下的材料——拓扑绝缘体（TI）。TI在内部表现为绝缘体，但其表面或边缘却存在受拓扑保护的、具有自旋-动量锁定的导电态。我们使用自旋轨道耦合（SOC）来解释拓扑非平庸性的产生。最后，我们探讨了拓扑超导体的可能性，特别关注预测中存在的马约拉纳费米子（Majorana Fermions）——一种与其自身反粒子等同的准粒子，以及它们在拓扑量子计算中的潜在应用。 结语： 本书旨在提供一个全面而严谨的框架，用以理解凝聚态物理中从经典相变到前沿拓扑现象的复杂性。通过掌握准粒子概念、重整化群工具以及拓扑物理的语言，读者将能够更好地理解和探索未来材料科学中的无限可能性。

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我必须强调，这本书对于气体动力论的描述，其严谨性和深入程度是我前所未见的。作者在介绍不同速度分布函数时，比如麦克斯韦-玻尔兹曼分布，不仅仅给出了公式，还对函数形式的物理意义进行了深入的剖析，解释了为什么在高压和低温下，分布会发生怎样的变化。我反复阅读了关于气体分子碰撞频率的章节，作者通过对气体分子运动轨迹的分析，以及对碰撞截面的定义，清晰地解释了宏观碰撞频率与微观分子运动参数之间的关系。这让我对气体在真空中的传播，以及不同密度下气体行为的差异有了更透彻的理解。书中对于热传导机理的微观解释，也让我茅塞顿开。作者通过分析气体分子之间的动量传递，以及能量的随机交换，成功地解释了热量是如何在气体中传播的，并且推导出了傅里叶定律的微观基础。我常常在思考，如果我能将书中这些微观层面的理解，应用到分析一些实际问题，例如发动机的效率，或是大气层的热量交换，可能会获得意想不到的启发。

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这本书在处理热力学第二定律方面，给我留下了深刻的印象。作者并未直接给出熵增原理，而是从可逆过程和不可逆过程的定义出发，逐步引出熵的概念。我非常欣赏他对于卡诺循环的详尽分析，通过对理想热机的效率推导，清晰地展示了热力学第二定律的不可逾越性。书中对各种不可逆过程，如热传导、摩擦和自由膨胀的熵变计算，都提供了详细的步骤和解释，让我能够真正理解“熵”在描述系统无序度和能量不可用性方面的含义。我花了相当长的时间去理解关于统计熵的定义，作者将其与热力学熵联系起来，并通过玻尔兹曼熵公式，进一步揭示了熵的微观本质。这种从微观粒子运动到宏观热力学定律的贯通，让我对物理学的统一性有了更深的感悟。此外，书中还讨论了热力学第二定律在信息论和生命科学中的潜在应用，这些拓展性的思考，极大地拓宽了我的视野，让我看到了物理定律跨越学科的普遍性。

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我对这本书的评价，可以从它对气体性质的精妙解读开始。作者在阐述道尔顿分压定律时，并没有仅仅给出公式，而是花了大量篇幅去解释，为什么不同种类的气体混合在一起，其总压等于各组分气体单独存在时的压强之和。这背后牵扯到气体分子之间相互作用的忽略，以及分子运动的独立性。我特别喜欢其中关于范德华方程的讨论，它在理想气体模型的基础上，引入了分子间引力和分子自身的体积修正，这让模型更加贴近真实气体行为。作者在推导这个方程时，考虑了多种情况，并且对修正项的物理意义进行了详尽的解释，让我对气体真实状态方程有了更深刻的理解。书中对气体黏滞性的分析，也让我大开眼界。通过对分子动量传递的微观机制进行分析，作者成功地推导出了黏滞系数与温度和密度的关系，这对于理解流体动力学中的许多现象至关重要。我常常在阅读时，联想到实际生活中的一些例子，比如空气阻力，这本书提供的微观视角，让我对这些宏观现象有了全新的认识。

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这本书在探讨气体动力论的某些进阶话题时，展现出了作者深厚的功力。他对稀薄气体动力学（Knudsen流）的阐述，让我对低压环境下气体行为的特殊性有了全新的认识。作者通过引入平均自由程的概念，并分析其与系统尺寸的相对大小，巧妙地区分了连续介质模型和分子流模型适用的范围。我花了大量时间去理解关于稀薄气体流动中边界条件的讨论，以及蒸发和冷凝现象的微观解释。书中对于气体在真空中的输运过程，比如分子束的产生和探测，都提供了详细的理论依据，这对于我理解一些真空技术和表面科学的实验非常有帮助。此外，作者还对气体动力学在天体物理学中的应用进行了简要的探讨，例如星际介质的性质和行星大气层的形成，这些让我看到了物理学的普适性和在不同尺度上的应用潜力。这本书的深度和广度，以及它所提供的独特视角，都让我感到受益匪浅，是一本值得反复研读的杰作。

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这本书简直是物理学领域的瑰宝，我最近深入研究了其中关于气体动力论的部分，完全被其严谨的逻辑和清晰的阐释所折服。作者在开篇就为我们构建了一个理想气体模型，从微观粒子的无规则运动出发，巧妙地将宏观的热力学性质，如压力、温度和体积，与微观的动量变化联系起来。我尤其欣赏作者对于玻尔兹曼分布的推导过程，那一步步的数学推理，逻辑严密，仿佛在带领读者穿越迷雾，最终拨云见日。对于那些曾经被统计力学公式吓倒的读者，这本书无疑是福音。作者用极其生动形象的比喻，比如将气体分子比作游乐场里嬉戏的孩子，生动地解释了概率和统计在理解宏观现象中的重要性。而且，书中对于不同温度下分子速度分布的图示，更是直观易懂，让我深刻理解了温度如何影响分子的平均动能。我还会时不时翻阅关于自由程和平均碰撞频率的章节，作者对这些概念的解释，不仅仅停留在公式层面，更深入地探讨了它们在实际应用中的意义，比如气体扩散和热传导。这本书的深度和广度都让我惊叹，它不仅是理论的梳理，更是对物理思想的一次深刻的洗礼。

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