Statistical Physics of Macromolecules (Polymers and Complex Materials)

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出版者:American Institute of Physics
作者:Alexei R Khokhlov
出品人:
页数:384
译者:
出版时间:2002-03-13
价格:USD 159.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9781563960710
丛书系列:
图书标签:
  • Statistical Physics
  • Polymers
  • Complex Materials
  • Macromolecules
  • Soft Matter
  • Polymer Physics
  • Condensed Matter Physics
  • Thermodynamics
  • Phase Transitions
  • Non-equilibrium Statistics
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具体描述

统计物理学导论:从经典到量子 图书简介 本书旨在为物理学、化学、材料科学以及相关工程领域的学生和研究人员提供一个全面而深入的统计物理学基础。内容涵盖了从经典统计力学到量子统计力学的核心概念、理论框架以及在现代物理学中的应用。本书的编排逻辑清晰,难度循序渐进,力求在保证理论严谨性的同时,兼顾物理图像的直观性和计算技巧的实用性。 第一部分:统计物理学的基本概念与方法 本部分是全书的基石,重点在于建立对统计系综、系综平均以及热力学量与微观物理量之间联系的深刻理解。 第一章:热力学与统计物理学的桥梁 首先回顾经典热力学的基础,包括宏观状态函数、第一、第二和第三定律。随后,引入统计物理学的基本假设,特别是等概率原理。详细讨论了系统微观态和宏观态的概念,以及配分函数(Partition Function)作为连接微观和宏观世界的核心桥梁的作用。我们将探讨如何利用配分函数导出热力学量,如内能、熵、亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能。 第二章:经典系综理论 深入探讨三种主要的经典系综: 1. 微正则系综(Microcanonical Ensemble): 适用于孤立系统,重点在于如何处理能量在相空间中的分布,以及如何用相空间体积或状态数来定义熵。讨论了理想气体和硬球系统的应用。 2. 正则系综(Canonical Ensemble): 适用于与恒温热库相接触的系统。详细推导了正则配分函数的性质,并演示了如何计算系统的平均能量和热容。特别关注玻尔兹曼分布在描述有限温度下的粒子分布中的重要性。 3. 大正则系综(Grand Canonical Ensemble): 适用于与恒温恒化学势热库相接触的系统。本章将阐述如何处理粒子数不守恒的开放系统,以及泊松分布在粒子数涨落中的角色。 第三章:理想气体的深入研究 利用前述的系综理论,对理想气体进行详细分析。 1. 单原子分子气体: 详细计算平动、转动和振动自由度的配分函数,并导出麦克斯韦-玻尔兹曼速度分布。 2. 多原子分子气体: 讨论分子内部自由度对热力学性质的贡献。 3. 气体动力学理论回顾: 从统计角度重新审视气体动力学理论,推导气体的输运性质,如粘滞系数、热导率和扩散系数,强调微观涨落如何导致宏观耗散。 第二部分:量子统计力学 本部分将理论扩展到量子领域,这是理解材料性质和低能物理的关键。 第四章:量子力学基础与费米-狄拉克统计 引入量子统计的必要性,特别是全同粒子原理(泡利不相容原理)。 1. 量子系综: 定义玻色-爱因斯坦统计和费米-狄拉克统计所依据的量子密度算符和量子配分函数。 2. 费米子系统: 详细分析费米-狄拉克分布函数,包括费米能级、费米面在绝对零度下的性质。应用该分布研究金属中的自由电子模型(德鲁德模型的高级修正),计算电子比热,并解释费米面附近电子对热力学和输运的决定性影响。 第五章:玻色-爱因斯坦统计与低能物理 深入探讨玻色子系统。 1. 玻色-爱因斯坦分布: 导出玻色-爱因斯坦分布函数,并讨论其与经典极限的联系。 2. 黑体辐射: 将玻色统计应用于光子气体,推导普朗克黑体辐射定律,计算辐射压和辐射能量密度。这是历史上统计物理学的重要里程碑。 3. 理想玻色气体: 详细研究由玻色子组成的理想气体,重点分析玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensation, BEC)现象。精确计算凝聚临界温度和凝聚分数,并讨论BEC在超流体氦-4中的体现。 第三部分:涨落、关联与相变 本部分将理论聚焦于系统的不均匀性和非平衡行为,这是理解复杂物质行为的核心。 第六章:统计涨落与涨落-耗散定理 研究系统偏离平均值时的行为。 1. 涨落的量化: 使用密度算符和关联函数来描述系统中的粒子数、能量和密度涨落。 2. 涨落-耗散定理(Fluctuation-Dissipation Theorem, FDT): 详细阐述FDT的物理意义,解释如何通过测量系统对外部微小扰动的响应(耗散性质)来推断其内在的随机涨落。这是连接线性响应理论和统计力学的关键。 第七章:平均场理论与相变 引入处理粒子间相互作用的初步且强大的工具——平均场理论。 1. 伊辛模型(Ising Model)的平均场近似: 使用平均场方法处理自旋系统中的长程相互作用,成功预测了铁磁-顺磁相变。推导平均场下的临界温度和序参量。 2. 范德华方程与液-气相变: 将平均场思想应用于真实气体,推导范德华方程,并解释其如何描述临界点附近的液体和气体之间的连续转变。 3. 临界现象与普适性: 定性讨论相变中的关键概念,如临界指数、重整化群思想的初步引入(不进行深入的群论推导),以及临界现象的普适性类。 第八章:熵、信息与不可逆性 从信息论的角度重新审视统计物理学。 1. 香农信息熵与玻尔兹曼熵: 比较统计物理中的熵概念,探讨它们之间的联系与区别。 2. 玻尔兹曼熵公式的局限性: 讨论在非平衡态和时间演化中,如何精确定义熵。 3. 不可逆性与时间对称性: 探讨宏观不可逆性如何在微观时间对称的定律中涌现,以及时间演化算符的性质。 本书的特点在于其对理论的深度挖掘和对物理直观的强调。每章后附有精心设计的习题,旨在巩固理论知识和发展解决实际问题的能力。通过对理想模型和重要物理现象的系统分析,读者将建立起坚实的统计物理学基础,为进一步探索凝聚态物理、软物质、非平衡态过程乃至宇宙学中的相关问题做好充分准备。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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我必须承认,《Statistical Physics of Macromolecules (Polymers and Complex Materials)》这本书彻底改变了我对“材料”的认知方式。它不仅仅是关于化学成分和加工工艺,更重要的是关于微观粒子的集体行为如何塑造宏观的物理性质。书中对于“高分子链的构象统计”的深入探讨,让我理解了为什么高分子在溶液和本体中会呈现出不同的形状,以及这些形状如何决定了材料的力学性能。作者通过对理想链、真实链等模型的研究,为我们揭示了分子尺寸上的复杂性。我特别喜欢书中关于“高分子在电场和磁场中的响应”的描述。我了解到,外加电场或磁场如何影响高分子的取向,从而改变其宏观的电学和光学性质。这为我们设计智能材料和传感器提供了重要的理论基础。此外,关于“高分子凝胶和网络结构”的内容,也为我打开了新的视野。我从未想过,那些柔软的凝胶,在微观层面是如此复杂而有序的结构。它让我对生物材料,如细胞外基质,有了更深的理解。这本书的结构安排也非常出色,从基础的高分子模型,到更复杂的相行为和动力学,再到对复杂材料的应用,层层递进,使得读者能够逐步建立起对统计物理在宏观分子领域应用的全面认识。即使是书中的一些高级概念,作者也通过清晰的推导和直观的比喻,将其变得易于理解。

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我必须说,《Statistical Physics of Macromolecules (Polymers and Complex Materials)》是一本极具挑战性但同时又无比回报的书。它迫使我去思考那些我们习以为常的物质现象背后隐藏的微观规律。书中对“高分子结晶”的统计热力学描述,让我对为什么有些高分子能够形成高度有序的晶体结构,而有些则只能形成无定形固体有了更清晰的认识。作者从能量和熵的平衡角度,解释了结晶过程的驱动力以及影响结晶度的因素。我特别喜欢书中关于“高分子链的缠结”的讨论。缠结是影响高分子熔体和橡胶性质的关键因素,理解缠结的密度和动力学对于设计高性能聚合物至关重要。书中通过巧妙的统计模型,量化了缠结的概念,并解释了它如何影响材料的粘弹性。此外,关于“生物大分子”的统计物理描述,也让我对蛋白质折叠、DNA双螺旋形成等生命现象有了全新的理解。书中将统计物理的工具应用于这些复杂生物体系,揭示了其内在的物理原理。这本书的结构安排也非常出色,从基础的高分子模型,到更复杂的相行为和动力学,再到对复杂材料的应用,层层递进,使得读者能够逐步建立起对统计物理在宏观分子领域应用的全面认识。即使是书中的一些高级概念,作者也通过清晰的推导和直观的比喻,将其变得易于理解。

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《Statistical Physics of Macromolecules (Polymers and Complex Materials)》是一部真正能够拓展读者思维边界的著作。我一直对“高分子共混物”的性能表现感到好奇,而本书对这一主题的深入剖析,让我对材料的微观结构与宏观性能之间的关系有了更清晰的认识。作者从统计物理的角度,解释了为什么不同的高分子在混合时会形成不同的相结构,以及这些相结构如何影响材料的机械强度、韧性和热稳定性。书中对“相容性”和“相分离”的统计力学描述,为理解和设计高性能共混材料提供了重要的理论指导。我特别欣赏书中关于“高分子在界面的行为”的讨论。无论是高分子吸附在固体表面,还是在高分子薄膜中的界面效应,这些都直接影响着许多关键的应用,例如涂料、粘合剂和生物医学器件。书中对界面张力、吸附能等概念的统计力学解释,让我对材料的表面性质有了更深刻的理解。此外,关于“响应性高分子”的讨论也让我眼前一亮。这些能够根据环境变化(如温度、pH值、光照等)改变自身性质的高分子,是未来智能材料和药物输送系统的核心。书中从统计物理的角度解释了这些响应机制,让我能够更好地设计和优化这些材料。

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《Statistical Physics of Macromolecules (Polymers and Complex Materials)》不仅仅是一本书,它更像是一位循循善诱的导师,带领我探索统计物理在宏观分子领域的奥秘。我一直对“高分子溶液”的性质感到好奇,而书中对这一主题的深入探讨,让我豁然开朗。作者从统计物理的角度,解释了为什么高分子在溶液中会膨胀或收缩,以及溶液的粘度和渗透压是如何与高分子的浓度、分子量和溶剂的性质相关联的。书中对“临界溶液温度”(Theta temperature)的讨论,更是揭示了溶剂对高分子链构象的重要影响。我特别欣赏书中关于“高分子在磁场和电场中的行为”的描述。我了解到,外加磁场或电场如何影响高分子的取向,从而改变其宏观的磁学和电学性质。这为我们设计智能材料和传感器提供了重要的理论基础。此外,关于“响应性高分子”的讨论也让我眼前一亮。这些能够根据环境变化(如温度、pH值、光照等)改变自身性质的高分子,是未来智能材料和药物输送系统的核心。书中从统计物理的角度解释了这些响应机制,让我能够更好地设计和优化这些材料。这本书的优点还在于它对“复杂材料”的广泛涵盖。从生物大分子,如蛋白质和DNA,到液晶、聚合物网络以及纳米复合材料,书中都进行了深入的探讨。这使得本书不仅仅局限于对传统高分子的研究,更将目光投向了更广阔的材料科学领域。

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这本书《Statistical Physics of Macromolecules (Polymers and Complex Materials)》的价值远不止于理论知识的传授,更在于它能够激发读者深入思考物质世界的本质。我一直对“高分子的动力学”充满兴趣,尤其是它们在不同条件下的运动方式。书中从统计物理的角度,清晰地阐释了高分子链的扩散、弛豫和粘弹性行为。作者通过对Rouse模型和Zimm模型的深入分析,让我们理解了分子链的运动是如何受到自身内部自由度和与周围环境相互作用的影响。我特别喜欢书中关于“高分子在受限空间中的行为”的讨论。无论是高分子在多孔介质中的流动,还是在纳米通道中的行为,这些都与我们对新材料的开发和应用息息相关。书中对这些场景的理论建模,让我能够更好地理解那些高性能过滤膜、储能器件背后的科学原理。此外,关于“高分子凝胶和网络结构”的内容,也为我打开了新的视野。我从未想过,那些柔软的凝胶,在微观层面是如此复杂而有序的结构。它让我对生物材料,如细胞外基质,有了更深的理解。这本书的优点还在于它对“复杂材料”的广泛涵盖。从生物大分子,如蛋白质和DNA,到液晶、聚合物网络以及纳米复合材料,书中都进行了深入的探讨。这使得本书不仅仅局限于对传统高分子的研究,更将目光投向了更广阔的材料科学领域。

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《Statistical Physics of Macromolecules (Polymers and Complex Materials)》是一本将理论深度与实际应用巧妙结合的杰作。我一直对“玻璃态”材料的形成机制感到好奇,而这本书的章节恰好深入剖析了这一过程。作者从统计物理的角度,解释了为何某些材料在冷却过程中会陷入一种“非晶态”的持久状态,以及这种状态下分子的“冻结”行为。书中关于“动力学逮捕”的概念,为理解材料的长期稳定性和老化过程提供了关键的洞察。我尤其欣赏书中对“高分子在界面上的行为”的描述。无论是高分子吸附在固体表面,还是在高分子薄膜中的界面效应,这些都直接影响着许多关键的应用,例如涂料、粘合剂和生物医学器件。书中对界面张力、吸附能等概念的统计力学解释,让我对材料的表面性质有了更深刻的理解。此外,关于“响应性高分子”的讨论也让我眼前一亮。这些能够根据环境变化(如温度、pH值、光照等)改变自身性质的高分子,是未来智能材料和药物输送系统的核心。书中从统计物理的角度解释了这些响应机制,让我能够更好地设计和优化这些材料。这本书的优点还在于它对“复杂材料”的广泛涵盖。从生物大分子,如蛋白质和DNA,到液晶、聚合物网络以及纳米复合材料,书中都进行了深入的探讨。这使得本书不仅仅局限于对传统高分子的研究,更将目光投向了更广阔的材料科学领域。我敢说,任何对材料性质背后的科学原理感到好奇的人,都会在这本书中找到宝藏。

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《Statistical Physics of Macromolecules (Polymers and Complex Materials)》是一本真正能让你“思考”的书。它不仅仅是在传递信息,更是在构建一种看待世界的方式。我尤其被书中对于“相分离”现象的深入分析所打动。从简单的二元混合物到复杂的高分子共混物,作者用统计物理的框架,解释了为什么某些材料会发生分离,以及如何控制这种分离过程来获得具有特定性能的材料。书中对“临界现象”的讨论,让我第一次真正理解了“相变”背后的普适性规律。那些在不同系统中反复出现的数学关系,揭示了自然界隐藏的统一性。读到关于“自组装”的部分时,我感觉自己像是在观察一个微观的建造过程。高分子链如何凭借自身的力量,在溶液中组织成有序的结构,例如胶束、囊泡,甚至是更复杂的超分子体。这不仅仅是物理学的范畴,更与化学、生物学紧密相连。书中对这些结构的表征方法,如小角X射线散射(SAXS)和中子散射(SANS),也给予了我一些启发,让我对实验技术的应用有了更直观的认识。我发现,作者在讲解理论的同时,也巧妙地融入了实验的视角,这使得书本内容更加充实和立体。这本书的优点还在于它对“复杂材料”的广泛覆盖。从生物大分子到液晶、从聚合物网络到纳米复合材料,书中都进行了深入的探讨。这使得本书不仅仅局限于对传统高分子的研究,更将目光投向了更广阔的材料科学领域。我敢说,任何对材料性质背后的科学原理感到好奇的人,都会在这本书中找到宝藏。

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这本《Statistical Physics of Macromolecules (Polymers and Complex Materials)》着实是一部令人印象深刻的著作,即便我并非该领域的专业研究者,也能感受到其深厚的学术底蕴和广阔的应用前景。初次翻阅,就被其严谨的逻辑和清晰的结构所吸引。作者并非简单地罗列公式和理论,而是将统计物理的强大工具巧妙地应用于宏观分子这一复杂体系,为我们揭示了物质世界更深层次的规律。我尤其欣赏书中对于高分子链在不同环境下的行为的细致描绘,从链的构象统计到动力学过程,再到相变和自组装,每一个章节都像是在为我打开一扇新的认知之门。读到关于高分子溶液的章节时,我仿佛置身于一个由无数微小粒子组成的动态世界,理解了为什么溶液的粘度会随着高分子浓度和分子量的变化而发生如此显著的改变。书中对理论的阐释也并非枯燥乏味,而是穿插着许多生动的类比和直观的图示,这对于我这样一个非专业读者来说,极大地降低了理解门槛。每当我遇到一个难以理解的概念,书中总能以一种令人豁然开朗的方式进行解释,仿佛作者早已预料到我的困惑,并提前准备好了答案。我发现,这本书不仅仅是关于高分子,更是关于如何运用物理学的视角去理解和分析任何复杂的、由大量相互作用单元组成的系统。这种跨学科的思维方式,让我受益匪浅。即使是那些我暂时无法完全掌握的数学推导,其背后所蕴含的思想和方法也足够我咀嚼和思考良久。这本书的价值,绝不仅仅在于知识的传递,更在于它能够激发读者对科学探索的热情和对未知世界的好奇心。

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对于我来说,《Statistical Physics of Macromolecules (Polymers and Complex Materials)》是一次深入的“思想之旅”。我一直对物质的“涌现”性质感到好奇,而这本书恰恰从统计物理的角度,为我们揭示了宏观性质是如何从微观的分子行为中“涌现”出来的。书中对“临界点”附近的普遍性理论的阐述,让我看到了统计物理在解决看似毫不相关的问题时所展现出的强大力量。例如,高分子链的卷曲-展开转变和水的沸腾,在临界点附近遵循着相似的统计规律。这种跨越不同尺度的普适性,令我由衷地感到惊叹。我特别喜欢书中关于“高分子在受限空间中的行为”的讨论。无论是高分子在多孔介质中的流动,还是在纳米通道中的行为,这些都与我们对新材料的开发和应用息息相关。书中对这些场景的理论建模,让我能够更好地理解那些高性能过滤膜、储能器件背后的科学原理。此外,关于“高分子在电场和磁场中的响应”也让我印象深刻。我了解到,外加电场如何影响高分子的取向,从而改变其宏观的电学和光学性质。这为我们设计智能材料和传感器提供了重要的理论基础。这本书的结构安排也非常合理,从基础的链模型到复杂的相行为,再到动力学过程和应用,层层递进,使得读者能够逐步建立起对统计物理在宏观分子领域应用的全面认识。即使是书中的一些高级概念,作者也通过清晰的推导和直观的比喻,将其变得易于理解。

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我必须承认,当我拿起《Statistical Physics of Macromolecules (Polymers and Complex Materials)》时,心中是怀揣着一丝忐忑的,毕竟“统计物理”和“大分子”这两个词汇本身就自带一定的学术距离感。然而,这本书的魅力在于它能够循序渐进地引导读者进入这个看似晦涩的领域。作者在开篇就为我们构建了一个宏观的图景,解释了为什么我们需要用统计物理的语言来描述高分子。我被书中对于“自由体积”和“玻璃化转变”的讨论所深深吸引。这些概念不仅解释了我们日常生活中塑料和橡胶的物理性质,更揭示了材料科学中一些关键的工程挑战。我特别喜欢书中对高分子动力学部分的论述,它让我理解了为什么高分子在冷却时会从黏性液体转变为坚硬的固体,以及这个转变过程的复杂性和不可逆性。书中的模型,例如 Rouse 模型和 Zimm 模型,虽然初看时觉得有些抽象,但随着作者一步步的推导和解释,我逐渐能够体会到它们在描述高分子链运动时的精妙之处。它们就像是为高分子链量身定做的“运动轨迹图”,描绘了分子链在溶液中如何伸展、收缩、缠结。此外,书中关于高分子凝胶和网络结构的内容,也为我打开了新的视野。我从未想过,那些柔软的凝胶,在微观层面是如此复杂而有序的结构。它让我对生物材料,如细胞外基质,有了更深的理解。这本书的深度是毋庸置疑的,但其可读性同样令人赞叹。作者避免了过于深奥的语言,而是用一种清晰、逻辑性极强的风格来阐述复杂的概念,这对于非物理学背景的读者来说,无疑是一大福音。

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