引入

为什么在常温下,绝大多数分子处于基态而不是激发态?

为什么温度稍微升高,反应速率就会成倍增加?

为什么 NMR 信号很弱,需要很强的磁场?

分子动理论给出了分子速率的麦克斯韦分布。更一般的问题是:在热平衡状态下,微观粒子在各能级上如何分布?玻尔兹曼分布给出了答案,它是连接微观能级和宏观热力学的关键桥梁。

正文

定义

玻尔兹曼分布描述热平衡时粒子占据各能级的概率:能量越高的能级,被占据的概率越低,呈指数衰减:

分布公式

能级 被占据的相对概率:

其中 。归一化后:

其中 为配分函数。

温度对分布的影响

温度分布特征物理图像
几乎所有粒子占据最低能级热运动不足以激发
适中低能级占优,高能级有一定概率典型热平衡
各能级占据概率趋于相等热运动压倒能级差

关键量是 与能级差 的比值:

  • :高能级几乎空着
  • :能级差可忽略,各能级均分

两个能级的占据数比

这个式子是化学动力学的核心:

应用表达式说明
Arrhenius 公式只有能量超过活化能的分子才能反应
化学平衡平衡常数由能级分布决定
分子光谱转动能级占据数决定谱线强度
NMR自旋能级布居差决定信号强度

活化能 越大,指数因子越小,反应越慢。温度升高,指数因子迅速增大,这就是“升温加快反应”的定量来源。

为什么 NMR 信号弱

核自旋在磁场中分裂为两个能级,能级差极小(射频量级)。室温下 ,两个能级的布居数几乎相等:

差值只有百万分之几,所以 NMR 信号天然很弱,需要强磁场和信号平均。

适用范围

玻尔兹曼分布适用于经典极限下的粒子(可区分、浓度不高、温度不太低)。对于量子简并体系:

粒子类型适用分布
可区分粒子(经典极限)玻尔兹曼分布
费米子(电子)费米-狄拉克分布
玻色子(光子、氦-4)玻色-爱因斯坦分布

常温常压下的气体和溶液中的分子,通常满足经典极限条件。

常见误区

错误说法问题
“高能级永远没有粒子”概率很小但不为零
“玻尔兹曼分布适用于所有系统”量子简并体系要用其他分布
“温度升高只影响平均动能”也改变能级间的粒子分布

引出

玻尔兹曼分布中的归一化常数 就是配分函数,它是统计物理中最重要的计算工具。

熵的统计解释 与玻尔兹曼分布有着深刻的联系。

为什么低温下量子效应会变得不可忽略?