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| − | {{about|physics and chemistry|other fields|Degrees of freedom}}
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| − | {{Refimprove|date=November 2009}}
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| | 在物理和化学中,'''<font color="#ff8000">自由度 Degree of freedom</font>'''指的是形式化描述某一物理系统的状态时,一个独立的物理量。某一系统所有状态的集合称为该系统的'''<font color="#ff8000">相空间 Phase space</font>''',该系统的自由度便是相空间的维数。 | | 在物理和化学中,'''<font color="#ff8000">自由度 Degree of freedom</font>'''指的是形式化描述某一物理系统的状态时,一个独立的物理量。某一系统所有状态的集合称为该系统的'''<font color="#ff8000">相空间 Phase space</font>''',该系统的自由度便是相空间的维数。 |
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| | 在统计力学中,自由度指的是在描述某个系统的微观状态时,单个的标量数。<ref name=":0">{{cite book |last=Reif |first=F. |title=Fundamentals of Statistical and Thermal Physics |year=2009 |publisher=Waveland Press, Inc. |location=Long Grove, IL |isbn=1-57766-612-7 |page=51}}</ref>某个系统所有微观状态的规格参数都是该系统相空间中的一个点。 | | 在统计力学中,自由度指的是在描述某个系统的微观状态时,单个的标量数。<ref name=":0">{{cite book |last=Reif |first=F. |title=Fundamentals of Statistical and Thermal Physics |year=2009 |publisher=Waveland Press, Inc. |location=Long Grove, IL |isbn=1-57766-612-7 |page=51}}</ref>某个系统所有微观状态的规格参数都是该系统相空间中的一个点。 |
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| − | 在化学的三维'''<font color="#ff8000">理想链 Ideal chain</font>'''模型中,,需要两个角度来描述每个'''<font color="#ff8000">单体 monomer </font>'''的方向。 | + | 在化学的三维'''<font color="#ff8000">理想链 Ideal chain</font>'''模型中,需要两个角度来描述每个'''<font color="#ff8000">单体 monomer </font>'''的方向。 |
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| | 指定二自由度通常很有用。因为它们有助于建立系统能量的二次函数。 | | 指定二自由度通常很有用。因为它们有助于建立系统能量的二次函数。 |
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| − | == 气体分子(Gas molecules) == | + | ==气体分子== |
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| | [[文件:Degrees of freedom (diatomic molecule).png|缩略图|右|可视化双原子分子六个自由度的不同方式。(其中CM:系统的质心,T:平移运动,R:旋转运动,V:振动运动。)]] | | [[文件:Degrees of freedom (diatomic molecule).png|缩略图|右|可视化双原子分子六个自由度的不同方式。(其中CM:系统的质心,T:平移运动,R:旋转运动,V:振动运动。)]] |
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| | |- | | |- |
| | ! | | ! |
| − | ! [[单原子]] | + | ![[单原子]] |
| − | ! [[线性分子]] | + | ![[线性分子]] |
| − | ! [[非线性分子]] | + | ![[非线性分子]] |
| | |- | | |- |
| − | | 平移 ({{mvar|x}}, {{mvar|y}}, and {{mvar|z}}) | + | |平移 ({{mvar|x}}, {{mvar|y}}, and {{mvar|z}}) |
| − | | align="center" | 3 | + | | align="center" |3 |
| − | | align="center" | 3 | + | | align="center" |3 |
| | | align="center" | 3 | | | align="center" | 3 |
| | |- | | |- |
| | | 旋转 ({{mvar|x}}, {{mvar|y}}, and {{mvar|z}}) | | | 旋转 ({{mvar|x}}, {{mvar|y}}, and {{mvar|z}}) |
| − | | align="center" | 0 | + | | align="center" |0 |
| − | | align="center" | 2 | + | | align="center" |2 |
| − | | align="center" | 3 | + | | align="center" |3 |
| | |- | | |- |
| − | | '''总计''' (不考虑室温下的振动) | + | |'''总计''' (不考虑室温下的振动) |
| − | | align="center" | 3 | + | | align="center" |3 |
| − | | align="center" | 5 | + | | align="center" |5 |
| − | | align="center" | 6 | + | | align="center" |6 |
| | |- | | |- |
| | | 振动 | | | 振动 |
| − | | align="center" | 0 | + | | align="center" |0 |
| − | | align="center" | {{math|3''N'' − 5}} | + | | align="center" |{{math|3''N'' − 5}} |
| − | | align="center" | {{math|3''N'' − 6}} | + | | align="center" |{{math|3''N'' − 6}} |
| | |- | | |- |
| − | | '''总计''' (包括振动) | + | |'''总计''' (包括振动) |
| − | | align="center" | '''3''' | + | | align="center" |'''3''' |
| − | | align="center" | '''3''N''''' | + | | align="center" |'''3''N''''' |
| | | align="center" | '''3''N''''' | | | align="center" | '''3''N''''' |
| | |} | | |} |
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| − | == 独立自由度(Independent degrees of freedom) == | + | ==独立自由度== |
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| | 某个系统的自由度{{math|''X''<sub>1</sub>, ... , ''X''<sub>''N''</sub>}}集合,如果集合的能量可以用以下形式表示,则它们是独立的: | | 某个系统的自由度{{math|''X''<sub>1</sub>, ... , ''X''<sub>''N''</sub>}}集合,如果集合的能量可以用以下形式表示,则它们是独立的: |
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| | 例如:如果{{math|''X''<sub>1</sub>}} 和 {{math|''X''<sub>2</sub>}}是两个自由度,并且E是关联的能量。 | | 例如:如果{{math|''X''<sub>1</sub>}} 和 {{math|''X''<sub>2</sub>}}是两个自由度,并且E是关联的能量。 |
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| − | * 如果<math>E = X_1^4 + X_2^4</math>,则两个自由度是独立的。 | + | *如果<math>E = X_1^4 + X_2^4</math>,则两个自由度是独立的。 |
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| − | * 如果<math>E = X_1^4 + X_1 X_2 + X_2^4</math>,则两个自由度不是独立的。其中{{math|''X''<sub>1</sub>}}和{{math|''X''<sub>2</sub>}}的乘积是描述两个自由度之间相互作用的耦合项。 | + | *如果<math>E = X_1^4 + X_1 X_2 + X_2^4</math>,则两个自由度不是独立的。其中{{math|''X''<sub>1</sub>}}和{{math|''X''<sub>2</sub>}}的乘积是描述两个自由度之间相互作用的耦合项。 |
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| | 这里的i值可以取1到N,第i个自由度Xi的值依据'''<font color="#ff8000">波尔兹曼分布 Boltzmann distribution </font>'''。其'''<font color="#ff8000">概率密度函数 Probability density function</font>'''如下: | | 这里的i值可以取1到N,第i个自由度Xi的值依据'''<font color="#ff8000">波尔兹曼分布 Boltzmann distribution </font>'''。其'''<font color="#ff8000">概率密度函数 Probability density function</font>'''如下: |
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| − | : <math>p_i(X_i) = \frac{e^{-\frac{E_i}{k_B T}}}{\int dX_i \, e^{-\frac{E_i}{k_B T}}}</math>, | + | :<math>p_i(X_i) = \frac{e^{-\frac{E_i}{k_B T}}}{\int dX_i \, e^{-\frac{E_i}{k_B T}}}</math>, |
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| | 在本节以及整篇文章中,方括号<math>\langle \rangle</math>表示其所包含数量的平均值。 | | 在本节以及整篇文章中,方括号<math>\langle \rangle</math>表示其所包含数量的平均值。 |
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| | :<math>\langle E \rangle = \sum_{i=1}^N \langle E_i \rangle.</math> | | :<math>\langle E \rangle = \sum_{i=1}^N \langle E_i \rangle.</math> |
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| − | == 二次自由度(Quadratic degrees of freedom) == | + | ==二次自由度== |
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| | 如果与该自由度相关的能量项可以写成如下等式,则自由度{{mvar|X<sub>i</sub>}}是二次的 | | 如果与该自由度相关的能量项可以写成如下等式,则自由度{{mvar|X<sub>i</sub>}}是二次的 |
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| | 例如:如果{{math|''X''<sub>1</sub>}} 和 {{math|''X''<sub>2</sub>}}是两个自由度,而E是关联的能量: | | 例如:如果{{math|''X''<sub>1</sub>}} 和 {{math|''X''<sub>2</sub>}}是两个自由度,而E是关联的能量: |
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| − | * 如果<math>E = X_1^4 + X_1^3 X_2 + X_2^4</math>,则两个自由度既不是独立的也非二次的。 | + | *如果<math>E = X_1^4 + X_1^3 X_2 + X_2^4</math>,则两个自由度既不是独立的也非二次的。 |
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| | * 如果<math>E = X_1^4 + X_2^4</math>,则两个自由度是独立的但非二次的。 | | * 如果<math>E = X_1^4 + X_2^4</math>,则两个自由度是独立的但非二次的。 |
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| − | * 如果<math>E = X_1^2 + X_1 X_2 + 2X_2^2</math>,则两个自由度不是独立的,而是二次的。 | + | *如果<math>E = X_1^2 + X_1 X_2 + 2X_2^2</math>,则两个自由度不是独立的,而是二次的。 |
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| − | * 如果<math>E = X_1^2 + 2X_2^2</math>,则两个自由度既是独立的并且是二次的。 | + | *如果<math>E = X_1^2 + 2X_2^2</math>,则两个自由度既是独立的并且是二次的。 |
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| | 例如,在牛顿力学中,一个二自由度的动力学系统是由一组具有恒定系数的'''<font color="#ff8000">齐次线性微分方程 homogeneous linear differential equations </font>'''控制的。 | | 例如,在牛顿力学中,一个二自由度的动力学系统是由一组具有恒定系数的'''<font color="#ff8000">齐次线性微分方程 homogeneous linear differential equations </font>'''控制的。 |
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| − | === 二次独立的自由度(Quadratic and independent degree of freedom) === | + | ===二次独立的自由度=== |
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| | 如果能量与系统的微观状态有关,则{{math|''X''<sub>1</sub>, ... , ''X''<sub>''N''</sub>}}是二次独立的自由度,它们可以写成: | | 如果能量与系统的微观状态有关,则{{math|''X''<sub>1</sub>, ... , ''X''<sub>''N''</sub>}}是二次独立的自由度,它们可以写成: |
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| | :<math>E = \sum_{i=1}^N \alpha_i X_i^2</math> | | :<math>E = \sum_{i=1}^N \alpha_i X_i^2</math> |
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| − | === 能量均分定理(Equipartition theorem) === | + | ===能量均分定理=== |
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| | 在统计力学的经典极限中,在'''<font color="#ff8000">热力学平衡 Thermodynamic equilibrium</font>'''状态下,N个二次且独立自由度的系统内部能量为: | | 在统计力学的经典极限中,在'''<font color="#ff8000">热力学平衡 Thermodynamic equilibrium</font>'''状态下,N个二次且独立自由度的系统内部能量为: |
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| − | : <math>U = \langle E \rangle = N\,\frac{k_B T}{2}</math> | + | :<math>U = \langle E \rangle = N\,\frac{k_B T}{2}</math> |
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| | 此时,与自由度相关的平均能量为: | | 此时,与自由度相关的平均能量为: |
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| | 由于自由度是独立的,因此系统的内部能量等于每个自由度带有的平均能量之和,由此得到了结果。 | | 由于自由度是独立的,因此系统的内部能量等于每个自由度带有的平均能量之和,由此得到了结果。 |
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| − | == 总结 == | + | ==总结== |
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| | 尽管在数学上很方便,但将系统状态描述为相空间中的一个点,从根本上讲是不准确的。在量子力学中,体系运动状态的自由度被波函数的概念所取代,并且对应于其他自由度的'''<font color="#ff8000">算子 Operator</font>'''具有离散的光谱。例如,电子或光子的本征'''<font color="#ff8000">角动量算符 Angular momentum operator </font>'''(对应于转动自由度)只有两个特征值。当运动具有'''<font color="#ff8000">普朗克常数 Planck constant</font>'''的量级时,这种离散变得非常明显,并且可以区分出各个自由度。 | | 尽管在数学上很方便,但将系统状态描述为相空间中的一个点,从根本上讲是不准确的。在量子力学中,体系运动状态的自由度被波函数的概念所取代,并且对应于其他自由度的'''<font color="#ff8000">算子 Operator</font>'''具有离散的光谱。例如,电子或光子的本征'''<font color="#ff8000">角动量算符 Angular momentum operator </font>'''(对应于转动自由度)只有两个特征值。当运动具有'''<font color="#ff8000">普朗克常数 Planck constant</font>'''的量级时,这种离散变得非常明显,并且可以区分出各个自由度。 |
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| − | ==References== | + | ==参考文献== |
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| | {{reflist}} | | {{reflist}} |
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| − | [[Category:Concepts in physics]] | + | [[Category:物理概念]] |
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| − | Category:Concepts in physics
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| − | 分类: 物理概念
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| − | [[Category:Dimension]]
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| − | Category:Dimension
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| − | 类别: 维度
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| + | [[Category:维度]] |
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| − | <small>This page was moved from [[wikipedia:en:Degrees of freedom (physics and chemistry)]]. Its edit history can be viewed at [[自由度/edithistory]]</small></noinclude> | + | <noinclude></noinclude> |
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