Introductory Transport Theory for Charged Particles in Gases pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Robson, Robert E.

出品人:

页数:181

译者:

出版时间:

价格:$ 57.63

装帧:HRD

isbn号码:9789812700117

丛书系列:

图书标签:

Transport Theory
Charged Particles
Gases
Plasma Physics
Kinetic Theory
Collision Processes
Electron Transport
Ion Transport
Rarefied Gas Dynamics
Statistical Physics

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具体描述

Many areas of physics research depend upon a good physical understanding of charged particle transport processes in gases, a statement which is as true now as it was in the early part of the last century, when modern physics was taking shape. Gas lasers, multi-wire drift chambers used in high energy particle detectors, muon-catalysed fusion in hydrogen and its isotopes and low-temperature plasma processing technology are just a few examples of experiments and processes in which electrons, ions or muons play a key role. The macroscopic properties of these non-equilibrium systems can best be found by averaging microscopic collision properties over a velocity distribution function, calculated from solution of Boltzmann's kinetic equation, using recently developed techniques. This is the realm of the modern kinetic theory of gases, and is the theme of this book.

跨越边界：从经典力学到量子场论的粒子动力学透视本书旨在为读者提供一个宏大且深入的视角，审视在不同物理框架下，粒子动力学行为的演变与核心原理。我们不会聚焦于特定介质（如气体）中带电荷粒子的输运问题，而是将目光投向更基础、更具普适性的理论框架——经典力学、统计物理学、以及量子场论在描述多体系统行为时的核心贡献。本书结构分为四个主要部分，循序渐进地引导读者领略理论物理的精妙与力量。 --- 第一部分：经典力学的基石与多体系统的涌现本部分将从牛顿力学这一物理学的最初起点出发，构建理解宏观及微观运动的基础。我们将详细探讨拉格朗日力学和哈密顿力学的数学结构。拉格朗日量与变分原理：我们将深入分析作用量最小化原理在确定粒子运动轨迹中的关键作用。重点讨论约束条件的处理，特别是第二类拉格朗日方程在处理复杂机械系统（如转动、振动）时的优雅性。我们将探究保守力场与非保守力场下的拉格朗日体系，并展示如何从连续变量的描述过渡到离散系统。哈密顿形式的深刻洞察：哈密顿力学被视为经典力学的巅峰。我们将详细构建正则变换理论，解释相空间的概念，并阐述正则方程如何构成了后续统计物理和量子力学的基础。重点分析泊松括号的代数结构，并展示其在守恒量发现中的直接应用。过渡到统计描述：经典力学的确定性描述在面对大量粒子系统时必然失效。本部分将引入相空间密度函数 $ ho(q, p, t)$ 的概念，并详细推导刘维尔方程 (Liouville Equation)。读者将理解为什么该方程是描述大量粒子系统时间演化的基本动力学方程，即使我们不考虑粒子间的具体碰撞细节。经典涨落与噪声的起源：我们将简要讨论在宏观描述下，如何引入涨落-耗散定理 (Fluctuation-Dissipation Theorem) 的前身思想，即经典系统在平衡态附近必然存在的微观不确定性，为后续引入热力学和随机过程打下概念基础。 --- 第二部分：统计物理学的桥梁——配分函数与平衡态热力学如果说第一部分描述了系统的“如何运动”，那么第二部分则关注系统在平衡态时“会是什么样”。我们将完全脱离粒子具体的空间输运细节，专注于基于概率论和组合学的宏观热力学描述。系综理论的核心：我们将系统地介绍统计物理学的三个基本系综：微正则系综 (Microcanonical Ensemble)、正则系综 (Canonical Ensemble)，以及大正则系综 (Grand Canonical Ensemble)。对于每一个系综，我们将严格推导其配分函数 (Partition Function) 的定义，并展示如何通过该函数导出所有的宏观热力学量（内能 $U$、熵 $S$、吉布斯自由能 $G$ 等）。理想气体的严格导出：利用大正则系综，我们将从微观的粒子运动出发，精确地重新推导理想气体的状态方程（理想气体定律），并深入分析其熵的统计力学定义（玻尔兹曼熵公式的局限性与推广）。强相互作用系统的处理：针对经典粒子间的库仑或范德华相互作用，我们将讨论平均场理论 (Mean-Field Theory) 的基本思想，如维里展开 (Virial Expansion) 的初步概念，以及在哪些条件下平均场近似是有效的。相变与临界现象：本部分的高潮在于对相变的统计力学处理。我们将探讨朗道理论 (Landau Theory) 的基本结构，并介绍重整化群 (Renormalization Group) 理论的定性思想，解释其如何解决了临界指数的普适性问题，使物理学家能够理解不同物理模型中相变的共同规律。 --- 第三部分：从半经典到量子：波函数的描述与演化本部分将实现物理描述的范式转换，从确定性的粒子轨迹转变为概率性的波函数描述，聚焦于单粒子和多粒子量子系统的基本方程。薛定谔方程的建立与应用：我们将详细考察含时薛定谔方程的数学形式，并讨论其与哈密顿力学的内在联系（通过量子化）。重点分析定态薛定谔方程在势阱、势垒（如隧穿效应的半经典解释）和周期性势场（如晶格）中的求解方法。角动量与对称性：深入探讨空间旋转群对薛定谔方程的影响，特别是角动量算符的对易关系。我们将详述球谐函数在描述中心势场（如氢原子）问题中的核心作用，并分析能级结构的精细结构。多粒子系统与不可区分性：对于包含多个相同粒子的系统，我们将严格引入对称化与反对称化的要求，推导出玻色-爱因斯坦统计和费米-狄拉克统计的必要性。这将是理解电子、光子等基本粒子行为的先决条件。从波函数到量子输运的先声：虽然我们不讨论气体输运，但本部分会介绍密度矩阵 (Density Matrix) 的概念，用以描述开放系统或处于混合态的量子系统的时间演化。 --- 第四部分：面向前沿：量子场论的散射与相互作用最后一部分将把读者的视野提升至量子场论的框架，探讨基本粒子间的相互作用如何被描述，以及散射过程的动力学。量子化场：我们将介绍如何通过正则量子化（对经典场进行量子化）来构造自由的量子场。重点阐述产生算符和湮灭算符，它们是描述粒子数目变化的数学工具。微扰论与散射矩阵：在相互作用领域，精确求解方程几乎不可能。我们将详细展开狄拉克微扰论，并介绍S矩阵 (Scattering Matrix) 的概念，它描述了入射粒子如何演变为出射粒子。费曼图的直观力量：虽然不进行严格的量子场论计算，但我们将用大量的篇幅来解释费曼图 (Feynman Diagrams) 作为一种图形化工具的巨大优势。通过简单的$phi^4$理论或QED（量子电动力学）的初级示例，说明费曼图如何对应于微扰展开中的各项，以及如何表示粒子在时空中的传播和相互作用（顶点）。背景场与有效作用量：最后，我们将讨论现代场论中处理复杂相互作用的通用框架——有效作用量 (Effective Action) 的概念，展示如何通过对场进行积分，将复杂的微观细节“集成”到一个描述低能动力学的有效场论中。 --- 总结：本书通过对经典动力学、统计热力学、非相对论量子力学，以及相对论量子场论的全面梳理，构建了一个关于“粒子如何运动、如何聚集、以及如何相互作用”的统一理论框架。读者将获得一套强大的分析工具，能够应用于从多体凝聚态物理到高能粒子物理的广泛领域，而无需受限于某一特定介质中的输运模型。本书强调理论的严谨性、概念的清晰性以及数学工具的普适性，旨在培养读者从底层原理构建复杂物理图景的能力。