粒子配分函数的计算

粒⼦分布函数的产⽣，Maxwell分布等以下内容转载⾃Hua-sheng XIE百度空间：粒⼦分布函数的产⽣，Maxwell分布等粒⼦数N，速度随机，总体满⾜固定分布函数，如均匀分布、热运动的麦克斯韦分布等。

1.均匀分布v =vmin + (vmax -vmin) * rand();rand()表⽰0-1的均匀分布。

2.⾮均匀分布There are two basic methods of constructing non-uniformly distributed random variables: i.e., the transformation method and the rejection method.参看计算物理Monte-Carlo部分，⼀般都会有介绍。

transformation method需知道反函数，不通⽤；rejection method可⽤于产⽣任意已知函数表达式的分布。

=======================rejection method，C++产⽣⾼斯分布=====================// gaussian.cpp// Function to return random variable distributed// according to Gaussian distribution with mean mean// and standard deviation sigma.#define RANDMAX 2147483646int random (int = 0);double gaussian (double mean, double sigma){double ymin = mean - 4. * sigma;double ymax = mean + 4. * sigma;double Pymax = 1. / sqrt (2. * M_PI) / sigma;// Calculate random value uniformly distributed// in range ymin to ymaxdouble y = ymin + (ymax - ymin) * double (random ()) / double (RANDMAX);// Calculate Pydouble Py = exp (- (y - mean) * (y - mean) / 2. / sigma / sigma) /sqrt (2. * M_PI) / sigma;// Calculate random value uniformly distributed in range 0 to Pymaxdouble x = Pymax * double (random ()) / double (RANDMAX);// If x > Py reject value and recalculateif (x > Py) return gaussian (mean, sigma);else return y;}以上代码段来⾃《Computational Physic：An introductory course》，Richard Fitzpatrick，Professor of Physics，The University of Texas at Austin最后⼀章，Monte-Carlo Methods，9.3 Distribution Functions。

2014届本科毕业论文配分函数的分析与计算姓名：张坤系别：物理与电气信息学院专业：物理学学号：100314025指导教师：王保玉2014年4月12日目录摘要 (I)0 引言 (1)1 配分函数的分析 (1)1.1 配分函数体现的粒子在各个能级上的分配性质 (1)1.2 配分函数表示的是所有的可能量子态相对的概率之和 (1)1.3 配分函数表示粒子离开基态的程度大小的量度 (2)1.4 配分函数是状态函数 (3)1.5 配分函数属于特性函数 (3)2 配分函数的计算 (4)2.1 统计系综的几率分布与配分函数 (5)2.2 近独立系统的配分函数 (6)2.2.1 近独立系统的经典统计 (6)2.2.2 近独立系统的量子统计 (6)结束语 (9)参考文献 (10)致谢 (10)配分函数的分析与计算摘要配分函数在统计物理中占有非常重要的地位,它是一个非常重要并且也比较难理解的物理量，本文将从配分函数的定义出发，阐述其物理意义，阐释其在统计物理中的重要作用，全面分析配分函数，进而研究了常见的各种系综的配分函数的相关计算，并讨论其应用。

关键词：配分函数；物理意义；作用；系统；系综Analysis and calculation of partition functionAbstractPartition function plays an important role in statistical physics, It is a very important and also difficult to understand the physical quantity. This article will begin with the definition of partition function, expatiate it’s physical meaning and illustrate the important role in statistical physics, then give a comprehensive analysis of the partition function. and then study Calculation of partition function in various common ensemble:Classical statistical and Quantum statistics in Near independent system, finally make a comprehensive study of the partition function.Key word: Partition function The physical significance System Ensemble0 引言热力学的宏观理论和微观理论统称为热现象的基本理论，即热力学和统计物理学。

配分函数的定义在统计物理学中，配分函数是描述一个物理系统的基本性质的重要概念之一。

它通常用符号Z表示。

配分函数的定义可以根据系统的性质和问题的具体情况而有所不同，下面是几种常见的定义方式：1.独立粒子系统的配分函数：对于由N个独立粒子组成的系统，每个粒子有多个可能的能级，配分函数定义为所有可能的粒子组态的统计权重之和。

可以用以下公式表示：Z = Σexp(-βEi)其中，β= 1/(kT)，k是玻尔兹曼常数，T是系统的温度，Ei是第i个粒子能级的能量。

2.统计力学中的配分函数：对于具有多个粒子之间相互作用的系统，配分函数可以通过将每个粒子的单粒子配分函数乘起来来表示。

即Z = ΠZi其中，Zi是第i个粒子的单粒子配分函数。

3.统计物理学中的配分函数：对于连续系统，如固体、液体或气体，配分函数可以用积分形式表示。

例如，在经典统计物理学中，对于具有位置和动量变量的系统，配分函数可以表示为相空间中所有可能状态的相空间体积积分。

具体形式如下：Z = ∫exp(-βH(q, p))dqdp其中，H(q, p)是系统的哈密顿量，q表示位置变量，p表示动量变量。

当描述一个物理系统的统计性质时，配分函数提供了一个重要的框架。

它包含了系统所有可能的微观状态的信息，并且可以用来计算系统的宏观性质。

首先，我们先来看一个简单的例子：一个由N个独立粒子组成的系统。

每个粒子有多个可能的能级，记作E1, E2, E3,...,En。

这些能级可以是粒子的不同状态或者不同的能量量子态。

每个能级对应着一定的能量。

那么该系统的配分函数Z定义为所有可能的粒子组态的统计权重之和。

统计权重可以通过指数函数exp(-βEi)来表示，其中β= 1/(kT)，k是玻尔兹曼常数，T 是系统的温度。

exp(-βEi)被称为Boltzmann因子，它与粒子的能级Ei和温度T有关。

配分函数Z的表达式为：Z = Σexp(-βEi)求和符号Σ表示对所有可能的粒子组态进行求和。