diff --git a/sections/astrophysics/light-pressure.tex b/sections/astrophysics/light-pressure.tex index 7f4b32e..35372ac 100644 --- a/sections/astrophysics/light-pressure.tex +++ b/sections/astrophysics/light-pressure.tex @@ -5,23 +5,26 @@ \subsection{Давление излучения} \end{equation} здесь $I$~--- поток падающего излучения, $c$~--- скорость света, $k$~--- коэффициент пропускания, $A$~--- коэффициент отражения, а $\beta$~--- угол падения излучения. -\term{Плотность энергии фотонного газа} — величина, отражающая количество энергии излучения в некотором объёме пространства. Рассмотрим пробную площадку $dS$ в пространстве с фотонным газом. В одну сторону за время $dt$ она излучает исходя из закона Стефана-Больцмана \eqref{eq:steff-bol-law}: +\term{Плотность энергии фотонного газа} — величина, отражающая количество энергии излучения в некотором объёме пространства. Рассмотрим пробную площадку площади $dS$ в пространстве с фотонным газом. В одну сторону за время $dt$ она излучает, исходя из закона Стефана-Больцмана \eqref{eq:steff-bol-law}: \begin{equation*} - d E=\sigma T^4 d t + d E = \sigma T^4 \, d t. \end{equation*} -С другой стороны количество частиц столкнувшихся с площадкой находящейся в идеальном газе за время $dt$ задаётся формулой \eqref{eq:mean-count-mxwl}: -\begin{equation*} -d N=\frac{1}{4} n \cdot\langle v\rangle \, d t=\frac{1}{4} n c \, d t -\end{equation*} -Если $d E=d N \cdot E_0$, где $E_0$~--- энергия одного фотона, а с другой стороны $d E=\sigma T^4 d t$, то: + +С другой стороны, фотонный газ удовлетворяет определению идеального газа. Значит, количество частиц, столкнувшихся с площадкой за время $dt$, задаётся формулой \eqref{eq:mean-count-mxwl}: \begin{equation*} -\sigma T^4=\frac{1}{4} n c E_0 \rightarrow E_0=\frac{4 \sigma T^4}{c n} +d N = \frac{1}{4} n \langlev\rangle \, d t=\frac{1}{4} n c \, d t, \end{equation*} -Таким образом плотность энергии: +так как скорость движения фотонов равна скорости света~$c$. + +Пусть $E_0$~--- энергия одного фотона, тогда $dE = E_0\,dN$, следовательно, +\begin{gather*} + \sigma T^4 \, dt = \frac{1}{4} n c E_0 \, dt,\\ + E_0 = \frac{4 \sigma T^4}{c n}. +\end{gather*} +Таким образом плотность энергии \begin{equation} - u=\frac{d W}{d V}=\frac{n \cdot E_0 d V}{d V}=\frac{4 \sigma T^4}{c}, + u = n E_0 = \frac{4 \sigma T^4}{c}. \end{equation} -где $dW$~--- полная энергия в некотором объеме $dV$. \term{Давление фотонного газа} определяется соотношением \begin{equation} diff --git a/sections/physics/maxwell.tex b/sections/physics/maxwell.tex index 91591e4..05ee6a1 100644 --- a/sections/physics/maxwell.tex +++ b/sections/physics/maxwell.tex @@ -1,161 +1,146 @@ \subsection{Распределение Максвелла} -Рассмотрим газ в некотором объеме, причем движение отдельных его частиц имеет совершен­но хаотический характер. Это означает, что все направления скоростей частиц в любом элементе объ­ема газа равновероятны. -Пусть число молекул в единице объема, имеющих скорости в диапазоне +Рассмотрим однородный изотропный газ в некотором объеме. Это означает, что направления скоростей частиц в любом элементе объ­ёма газа равновероятны. Пусть число молекул в единице объёма, имеющих скорости \begin{equation*} - (v_x \div v_x+d v_x), (v_y \div v_y+d v_y), (v_z \div v_z+d z_z), + \vec{v} \in [v_x, v_x + d v_x] \times [v_y, v_y + d v_y] \times [v_z, v_z + d z_z], \end{equation*} -или же иначе в элементе объема пространства скоростей $d^3 v=d v_x d v_y d v_z$, равно +где $\times$~--- знак декартова произведения множеств, иначе, в элементе объема пространства скоростей $d^3 v = d v_x \, d v_y \, d v_z$, равно \begin{equation*} - d n_{\mathrm{v}}=n f(v) d^3 v. + d n(\vec{v}) = n f(\vec{v}) \, d^3 v, \end{equation*} -Где $n$ — концентрация частиц, а $f(v)$ — некоторая функция распределения. -Представим вероятность того, что $x$-компонента скорости имеет значение в интервале $[v_x \div v_x+d v_x]$, как +где $n$ — концентрация частиц, а $f(\vec{v})$ — некоторая функция распределения. +Представим вероятность того, что $x$-компонента скорости имеет значение в интервале $[v_x, v_x + d v_x]$, как \begin{equation*} - d W\left(v_x\right)=\varphi\left(v_x\right) d v_x + d W (v_x) = \varphi(v_x) \, d v_x, \end{equation*} -Вследствие изотропности газа аналогичные распределения вероятностей должны быть и для других компонент скорости: +где $\varphi(x)$~--- функция распределения одной компоненты скорости. Вследствие изотропности газа аналогичные распределения вероятностей должны быть и для других компонент скорости: \begin{equation*} - d W\left(v_y\right)=\varphi\left(v_y\right) d v_y, \quad d W\left(v_z\right)=\varphi\left(v_z\right) d v_z + d W(v_y) = \varphi(v_y) \, d v_y, \quad + d W(v_z) =\varphi(v_z) \, d v_z. \end{equation*} -Предполагая, что компоненты $\left\{v_x, v_y, v_z\right\}$ — независимые случайные величины, запишем вероятность некоторого значения вектора скорости $\vec{v}$: + +Предполагая, что компоненты $\{v_x, v_y, v_z\}$~--- независимые случайные величины, запишем вероятность некоторого значения вектора скорости~$\vec{v}$: \begin{equation*} - d W\left(v_x, v_y, v_z\right)=\varphi\left(v_x\right) \varphi\left(v_y\right) \varphi\left(v_z\right) d v_x d v_y d v_z + d W(v_x, v_y, v_z) + = \varphi(v_x) \varphi(v_y) \varphi(v_z) \,d v_x \, d v_y \, d v_z \end{equation*} С другой стороны, \begin{equation*} - d W\left(v_x, v_y, v_z\right)=\frac{d n_v}{n}=f(v) d v_x d v_y d v_z + d W\left(v_x, v_y, v_z\right) + = \frac{d n(\vec{v})}{n} = f(\vec{v}) \, d v_x \,d v_y \,d v_z \end{equation*} -Таким образом, получаем +Таким образом, получаем, \begin{equation*} - f(v)=\varphi\left(v_x\right) \varphi\left(v_y\right) \varphi\left(v_z\right) + f(\vec{v}) = \varphi(v_x) \varphi(v_y) \varphi(v_z), \end{equation*} -или +прологарифмируем обе части полученного равенства: \begin{equation} -\ln f(v)=\ln \varphi\left(v_x\right)+\ln \varphi\left(v_y\right)+\ln \varphi\left(v_z\right) -\label{eq:ln-maxwll} + \ln f(\vec{v}) = \ln \varphi(v_x) + \ln \varphi(v_y) + \ln \varphi(v_z). + \label{eq:ln-maxwll} \end{equation} Это функциональное уравнение должно решаться совместно с уравнением \begin{equation*} -v^2=v_x^2+v_y^2+v_z^2 -\end{equation*} -Продифференцируем уравнение \eqref{eq:ln-maxwll} по переменной $v_x$: -\begin{equation*} -\frac{f^{\prime}(v)}{f(v)} \frac{\partial v}{\partial v_x}=\frac{\varphi^{\prime}\left(v_x\right)}{\varphi\left(v_x\right)} + v^2 = v_x^2 + v_y^2 + v_z^2 \end{equation*} +Продифференцируем уравнение \eqref{eq:ln-maxwll} по переменной $v_x$, +\begin{equation} + \frac{f'_{v_x}(\vec{v})}{f(\vec{v})} \frac{\partial v}{\partial v_x} + = \frac{\varphi'(v_x)}{\varphi(v_x)}. + \label{eq:maxwell-distribution-function-derivation} +\end{equation} Так как \begin{equation*} -\frac{\partial v}{\partial v_x}=\frac{\partial}{\partial v_x} \sqrt{v_x^2+v_y^2+v_z^2}=\frac{v_x}{v}, + \frac{\partial v}{\partial v_x} + = \frac{\partial}{\partial v_x} \sqrt{v_x^2+v_y^2+v_z^2} + = \frac{1}{2\sqrt{v_x^2+v_y^2+v_z^2}} \frac{\partial(v_x^2+v_y^2+v_z^2)}{\partial v_x} + = \frac{v_x}{v}, \end{equation*} -то +то \eqref{eq:maxwell-distribution-function-derivation} можно записать как \begin{equation*} -\frac{1}{v} \frac{f^{\prime}(v)}{f(v)}=\frac{1}{v_x} \frac{\varphi^{\prime}\left(v_x\right)}{\varphi\left(v_x\right)} +\frac{1}{v} \frac{f^{\prime}(\vec{v})}{f(\vec{v})}=\frac{1}{v_x} \frac{\varphi^{\prime}\left(v_x\right)}{\varphi\left(v_x\right)}. \end{equation*} -Правая часть этого равенства не зависит от $v_y$ и $v_z$, тогда как левая часть содержит эти переменные. Следовательно, обе стороны равенства должны быть постоянными: -\begin{equation*} - \frac{1}{v_x} \frac{\varphi^{\prime}\left(v_x\right)}{\varphi\left(v_x\right)}=-2 \alpha \quad \Rightarrow \quad \varphi\left(v_x\right)=A \exp \left(-\alpha v_x^2\right). -\end{equation*} -Аналогично находим +Правая часть этого равенства не зависит от $v_y$ и $v_z$, тогда как левая часть содержит эти переменные. Следовательно, обе части равенства должны быть постоянными. Пусть они равны $-2\alpha$, тогда \begin{gather*} -\varphi\left(v_y\right)=A \exp \left(-\alpha v_y^2\right), \varphi\left(v_z\right)=A \exp \left(-\alpha v_z^2\right), \\ -f(v)=\varphi\left(v_x\right) \varphi\left(v_y\right) \varphi\left(v_z\right)=A^3 \exp \left(-\alpha v^2\right) + \frac{1}{v_x} \frac{\varphi'(v_x)}{\varphi(v_x)} = -2 \alpha,\\ + \frac{d\varphi(v_x)}{\varphi(v_x)} = -2\alpha v_x \, dv_x,\\ + \int \frac{d\varphi(v_x)}{\varphi(v_x)} = -2\alpha \int v_x \, dv_x,\\ + \ln |\varphi(v_x)| = -\alpha v_x^2 + C,\\ + \varphi(v_x) = e^{-\alpha v_x^2 + C} \equiv A e^{-\alpha v_x^2}. \end{gather*} -В результате для $d n_{\mathrm{v}}$ получаем выражение -\begin{equation*} -d n_{\mathrm{v}}=n A^3 \exp \left(-\alpha v^2\right) d^3 v -\end{equation*} -Константа $A$ определяется из условия нормировки -\begin{equation*} -\int d n_v=n \int f(v) d^3 v=n -\end{equation*} -откуда следует, что $A=\sqrt{\alpha / \pi}$. -Таким образом, находим для одной компоненты скорости: +Аналогично +\begin{gather*} + \varphi(v_y) = A e^{-\alpha v_y^2}, \quad \varphi(v_z)=A e^{-\alpha v_z^2}, \\ + f(\vec{v}) = \varphi(v_x) \varphi(v_y) \varphi(v_z) = A^3 e^{-\alpha v^2}. +\end{gather*} +Константа $A$ определяется из условия нормировки +\begin{gather*} + \int \varphi(x) \, d x = 1,\\ + A \int\limits_{-\infty}^{\infty} e^{-\alpha x^2} \, dx = 1, \quad t = \sqrt{\alpha}{x},\\ + A \sqrt{\frac{\pi}{\alpha}} \cdot \frac{2}{\sqrt{\pi}} \int\limits_0^\infty e^{-t^2} \, dt \equiv A \sqrt{\frac{\pi}{\alpha}} \erf \infty = A \sqrt{\frac{\pi}{\alpha}} = 1. +\end{gather*} +откуда следует, что $A = \sqrt{\alpha / \pi}$.\footnote{$\displaystyle \erf x = \int\limits_{0}^x e^{-t^2} \, dt$~--- функций ошибок Гаусса.} + +Таким образом, для одной компоненты скорости: \begin{equation*} -d W\left(v_x\right)=\sqrt{\frac{\alpha}{\pi}} e^{-\alpha v_x^2} d v_x, + d W(v_x) = \sqrt{\frac{\alpha}{\pi}} e^{-\alpha v_x^2} \, d v_x, \end{equation*} и для вектора скорости: \begin{equation*} -d n_v=n\left(\frac{\alpha}{\pi}\right)^{3 / 2} e^{-\alpha v^2} d^3 v -\end{equation*} -Для выяснения смысла параметра $\alpha$ найдем среднюю кинетическую энергию молекул: -\begin{equation*} -\bar{\varepsilon}_{\text{кин}}=\frac{\overline{m v^2}}{2}=\frac{1}{n} \int \frac{m v^2}{2} n\left(\frac{a}{\pi}\right)^{3 / 2} e^{-\alpha v^2} d^3 v + d n(\vec{v}) = n \left(\frac{\alpha}{\pi}\right)^{3 / 2} e^{-\alpha v^2} d^3 v \end{equation*} -Заменяя под знаком интеграла $d^3 v \rightarrow 4 \pi v^2 d v$, получим +Для объяснения смысла параметра $\alpha$ найдем среднюю кинетическую энергию молекул: \begin{equation*} -\bar{\varepsilon}_{\text{кин}}=\frac{1}{n} \int_0^{\infty} \frac{m v^2}{2} n\left(\frac{\alpha}{\pi}\right)^{3 / 2} e^{-\alpha v^2} 4 \pi v^2 d v=\frac{3 m}{4 \alpha} + \bar{\varepsilon}_{\text{кин}} + = \frac{\overline{m v^2}}{2} + = \frac{1}{n} \int \frac{m v^2}{2} n\left(\frac{a}{\pi}\right)^{3 / 2} e^{-\alpha v^2} d^3 v. \end{equation*} -Эта величина должна быть равна $3 k T / 2$, откуда находим, что $\alpha=m /(2 k T)$. +Так как подынтегральное выражение зависит только от модуля скорости, можно сделать замену $d^3 v = 4 \pi v^2 d v$, получим +\begin{multline*} + \bar{\varepsilon}_{\text{кин}} + = \frac{2m \alpha^{3 / 2}}{\sqrt{\pi}} \int_0^{\infty} v^4 e^{-\alpha v^2} \, d v + \overset{t = \alpha v^2}{=} \frac{m}{\alpha \sqrt{\pi}} \int_0^{\infty} t^{3/2} e^{-t} \, dt = \\ + = -\frac{m}{\alpha \sqrt{\pi}} \left.\Gamma \left(\frac{5}{2}, t\right) \right|_0^\infty + = -\frac{m}{\alpha \sqrt{\pi}} \left(0 - \frac{3 \sqrt{\pi}}{4} \right) + = \frac{3 m}{4 \alpha}. +\end{multline*} +Эта величина должна быть равна $3 k T / 2$, откуда $\alpha = m / (2 k T)$. -Итак, в однородном по пространству идеальном газе со средней концентрацией $n$ в равновесном состоянии число молекул, обладающих скоростями в интервале +Итак, в однородном по пространству идеальном газе со средней концентрацией $n$ в равновесном состоянии число молекул, обладающих скоростями \begin{equation*} -(v_x \div v_x+d v_x), \quad (v_y \div v_y+d v_y), \quad (v_z \div v_z+d v_z) + \vec{v} \in [v_x, v_x + d v_x] \times [v_y, v_y + d v_y] \times [v_z, v_z + d z_z], \end{equation*} определяется распределением Максвелла \begin{equation} -d n_{\vec{v}}=n\left(\frac{m}{2 \pi K T}\right)^{3 / 2} \exp \left(-\frac{m v^2}{2 k T}\right) d^3 v + d n(\vec{v}) + = n \left(\frac{m}{2 \pi k T}\right)^{3 / 2} \exp \left(-\frac{m v^2}{2 k T}\right) \, d^3 v. \end{equation} \subsubsection{Распределение по модулю скорости} -Для того чтобы определить распределение по модулю скорости, от единичных клеток можно перейти с сферическим слоям радиуса $v, \, dv^3 \rightarrow 4 \pi v^2 \, dv$, таким образом в данном элементе пространства будут находиться все векторы данного модуля $v$ +Для того чтобы найти распределение по модулю скорости, от единичных клеток можно перейти с сферическим слоям радиуса $v, \, dv^3 \rightarrow 4 \pi v^2 \, dv$, таким образом в данном элементе пространства будут находиться все векторы данного модуля $v$ \begin{gather} \nonumber d n(v)=n \Phi(v) d v,\\ \Phi(v)=4 \pi v^2 f(v)=4 \pi\left(\frac{m}{2 \pi k T}\right)^{3 / 2} v^2 \exp \left(-\frac{m v^2}{2 k T}\right). \end{gather} \subsubsection{Распределение по энергиям} -Распределение по энергиям. В некоторых случаях удобно перейти от распределения частиц по скоростям к распределению по кинетическим энергиям. Производя в распределении Максвелла по величине скорости замену $v=\sqrt{2 \varepsilon / m}$ и $d v=d \varepsilon / \sqrt{2 m \varepsilon}$, находим: +В некоторых случаях удобно перейти от распределения частиц по скоростям к распределению по кинетическим энергиям. Производя в распределении Максвелла по величине скорости замену $v=\sqrt{2 \varepsilon / m}$ и $d v=d \varepsilon / \sqrt{2 m \varepsilon}$, находим: \begin{equation} d n(\varepsilon)=n F(\varepsilon) d \varepsilon, \quad F(\varepsilon)=\frac{2}{\sqrt{\pi(k T)^3}} \exp \left(-\frac{\varepsilon}{k T}\right) \sqrt{\varepsilon}. \end{equation} \subsubsection{Средние значения} \begin{enumerate} - \item $\overline{\mathbf{v}}=0$~--- все направления скорости равновероятны; - \item $v_{\text {с.к. }}=\sqrt{\overline{v^2}}=\sqrt{\int_0^{\infty} v^2 \Phi(v) d v}=\sqrt{3 k T / m}$~--- средняя квадратичная скорость; - \item $\bar{v}=\int_0^{\infty} v \Phi(v) d v=\sqrt{\frac{8 k T}{\pi m}}$~--- средняя скорость; - \item $\bar{\varepsilon}=\frac{1}{n} \int_{\varepsilon=0}^{\varepsilon=\infty} \varepsilon d n(\varepsilon)=\frac{3}{2} k T$~--- средняя энергия. + \item $\overline{\vec{v}} = 0$~--- все направления скорости равновероятны; + \item $\displaystyle v_{\text {с.к. }} = \sqrt{\overline{v^2}}=\sqrt{\int_0^{\infty} v^2 \Phi(v) \, dv}=\sqrt{3 k T / m}$~--- ср. квадратичная скорость; + \item $\displaystyle \bar{v}=\int_0^{\infty} v \Phi(v) \, dv=\sqrt{\frac{8 k T}{\pi m}}$~--- средняя скорость; + \item $\displaystyle \bar{\varepsilon} = \frac{1}{n} \int_{\varepsilon = 0}^{\varepsilon = \infty} \varepsilon \, d n(\varepsilon) = \frac{3}{2} k T$~--- средняя энергия. \end{enumerate} \subsubsection*{Среднее число ударов молекул о стенку} - -\begin{wrapfigure}[9]{r}{0.35\tw} - \centering - \vspace{-1pc} - \tikzsetnextfilename{mean-particles} - \begin{tikzpicture}[] - - \tkzDefPoint(0, 0){A} - \tkzDefPoint(0, 2){B} - \tkzDefPoint(3, 1){C} - \tkzDefPoint(3, -1){D} - \tkzDefPoint(1.5, 0.5){O} - \tkzDefPoint(-0.5, 0.5){V} - \tkzDefPoint(1.5, 1){dV1} - \tkzDefPoint(1.5, 1.2){dV2} - - - \foreach \r in {0.5,0.7} { - \tkzDefShiftPoint[O](\r,0){r} - \tkzDrawCircle[gray!40, line width=0.4pt](O,r) - } - - \tkzDrawSegments[](A,B B,C C,D D,A) - \tkzDrawSegments[-latex](V,O V,dV1 V,dV2) - \tkzLabelSegments[below, font=\scriptsize](O,V){$\vec{v}_z$} - \tkzLabelSegments[above, font=\scriptsize](V,dV2){$\vec{v}$} - - \tkzMarkAngle[size=0.8, arc=l, mksize=2pt](O,V,dV1) - \tkzLabelAngle[font=\scriptsize, pos=1.05](O,V,dV1){$\theta$} - - \end{tikzpicture} - \caption{Столкновение частиц со стенкой} - \label{pic:mean-particles} -\end{wrapfigure} -Рассмотрим столкновения молекул газа с неподвижной стенкой \picRef{pic:mean-particles}. Выделим группу молекул, имеющих скорость $v$. Концентрацию этих молекул обозначим $d n(v)$. Телесный угол сферической шапки $\Omega = 2 \pi (1 - \cos \theta)$, вследствие изотропии газа в телесный угол $d \Omega=2 \pi \sin \theta d \theta$ летит доля молекул, равная $d \Omega / 4 \pi$. Соответственно плотность этих молекул равна $dn(v) d \Omega / 4 \pi$. За время $dt$ до поверхности долетят молекулы, удаленные от нее на расстояние $v_z d t$, где $v_z=v \cos \theta$. Bceго в площадку $d S$ попадут молекулы, находящиеся в цилиндре объемом $v_z d t d S$, содержащем $v_z d t d S d n(v) d \Omega /(4 \pi)$ молекул выделенной группы. Суммируя результат по всем допустимым углам $\theta \in (0, \nicefrac{\pi}{2})$ и скоростям $v \in (0, \infty)$ и деля результат на $d t d S$, получаем +Рассмотрим столкновения молекул газа с неподвижной стенкой. Выделим группу молекул, имеющих скорость $v$. Плотность этих молекул обозначим $d n(v)$. Вследствие изотропии газа в телесный угол $d \Omega=2 \pi \sin \theta d \theta$ летит доля молекул, равная $d \Omega / 4 \pi$. Соответственно плотность этих молекул равна $dn(v) d \Omega / 4 \pi$. За время $dt$ до поверхности долетят молекулы, удаленные от нее на расстояние $v_z d t$, где $v_z=v \cos \theta$. Bceго в площадку $d S$ попадут молекулы, находящиеся в цилиндре объемом $v_z d t d S$, содержащем $v_z d t d S d n(v) d \Omega /(4 \pi)$ молекул выделенной группы. Суммируя результат по всем допустимым углам $\theta \in (0, \nicefrac{\pi}{2})$ и скоростям $v \in (0, \infty)$ и деля результат на $d t d S$, получаем \begin{equation} j=\int d n(v) v \cos \theta \frac{d \Omega}{4 \pi}=n \underbrace{\int_0^{\infty} v \Phi(v) \, d v}_{\text{средняя скорость}} \times \frac{1}{4 \pi} \int_0^{\pi / 2} \cos \theta \cdot 2 \pi \sin \theta d \theta=\frac{1}{4} n \bar{v} . \label{eq:mean-count-mxwl} \end{equation} -Величина $j$ представляет собой плотность потока частиц газа, т. е. число частиц, пересекающих единичную площадку в одну сторону в единицу времени, $[j]= \text{частиц}/\left(\text{см}^2 \cdot \text{c}\right)$. +Величина $j$ представляет собой плотность потока частиц газа, то есть число частиц, пересекающих единичную площадку в одну сторону в единицу времени, $[j]= \text{частиц}/\left(\text{м}^2 \cdot \text{c}\right)$. diff --git a/style/astro-notebook.maths.sty b/style/astro-notebook.maths.sty index 2cf0407..788bf98 100644 --- a/style/astro-notebook.maths.sty +++ b/style/astro-notebook.maths.sty @@ -22,6 +22,7 @@ \DeclareMathOperator{\argmax}{argmax} \DeclareMathOperator{\lam}{lam} \DeclareMathOperator{\arcth}{arcth} +\DeclareMathOperator{\erf}{erf} \newcommand{\LL}{\mathcal{L}} % Операторы