Statistical Mechanics

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出版者:Oxford University Press, USA
作者:James P. Sethna
出品人:
页数:376
译者:
出版时间:2006-06-01
价格:USD 65.00
装帧:Paperback
isbn号码:9780198566779
丛书系列:Oxford Master Series in Physics
图书标签:
  • 物理
  • 统计力学
  • 统计物理
  • StatisticalMechanics
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  • 量子统计
  • 经典统计
  • 相变
  • 涨落
  • 非平衡态
  • 计算物理
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具体描述

In each generation, scientists must redefine their fields: abstracting, simplifying and distilling the previous standard topics to make room for new advances and methods. Sethna's book takes this step for statistical mechanics - a field rooted in physics and chemistry whose ideas and methods are now central to information theory, complexity, and modern biology. Aimed at advanced undergraduates and early graduate students in all of these fields, Sethna limits his main presentation to the topics that future mathematicians and biologists, as well as physicists and chemists, will find fascinating and central to their work. The amazing breadth of the field is reflected in the author's large supply of carefully crafted exercises, each an introduction to a whole field of study: everything from chaos through information theory to life at the end of the universe.

统计力学:宏观世界的微观密码 《统计力学》是一部深入探索物质宏观性质如何源于其微观组分(原子、分子等)统计行为的著作。本书旨在揭示微观世界的无序性如何在大尺度上涌现出清晰、可预测的宏观规律,从而提供一个理解热力学现象的深刻理论框架。它连接了微观粒子动力学与宏观热力学性质之间的桥梁,是物理学、化学、材料科学乃至更广泛科学领域中不可或缺的基石。 本书从基础概念出发,逐步构建统计力学的强大分析工具。首先,它会详细介绍热力学基本原理,回顾能量守恒、熵增等核心概念,为后续的统计解释奠定基础。在此基础上,本书将引入系综理论,这是统计力学的核心思想之一。我们将探讨微观状态、宏观状态以及它们之间的对应关系。通过对微正则系综(Microcanonical Ensemble)、正则系综(Canonical Ensemble)和巨正则系综(Grand Canonical Ensemble)的详尽阐述,读者将学会如何构建和分析代表不同热力学条件的统计模型。 微正则系综着眼于一个孤立系统,其总能量、粒子数和体积固定。在此框架下,我们将学习如何计算系统的宏观性质,例如压强、温度和熵,从微观状态的均匀分布出发。正则系综则考虑一个与恒温热库接触的系统,其能量可以波动,但温度恒定。本书将详细推导配分函数(Partition Function)在正则系综中的核心作用,展示如何通过配分函数计算系统的平均能量、比热容、磁化强度等重要热力学量。巨正则系综进一步放宽了粒子数限制,允许系统与恒温恒压和化学势的热库交换能量和粒子。我们将深入研究巨正则配分函数,并探讨其在相变、化学反应等现象中的应用。 本书还将深入探讨玻尔兹曼分布(Boltzmann Distribution)和费米-狄拉克统计(Fermi-Dirac Statistics)以及玻色-爱因斯坦统计(Bose-Einstein Statistics)。玻尔兹曼分布描述了经典系统中粒子在不同能量状态下的分布概率,是理解统计力学的基础。对于量子系统,费米-狄拉克统计适用于描述费米子(如电子)的行为,它们遵循泡利不相容原理;玻色-爱因斯坦统计则适用于描述玻色子(如光子)的行为。这些统计分布在解释固体的电子结构、超导现象、激光原理以及宇宙学中的各种现象时至关重要。 为了更好地理解和应用统计力学,本书将详细介绍自由能(Free Energy)的概念,特别是亥姆霍兹自由能(Helmholtz Free Energy)和吉布斯自由能(Gibbs Free Energy)。这些概念将宏观热力学势与微观配分函数联系起来,成为判断系统平衡状态和过程自发性的有力工具。通过对自由能的分析,我们可以预测在给定条件下哪种宏观状态是最稳定的。 本书将不止步于理论推导,更注重将统计力学的思想应用于各种具体的物理系统。我们将探讨理想气体的统计性质,从微观分子运动推导出气体定律,计算其比热容和声速。随后,我们将深入研究固体的统计力学,包括晶格振动的模型(如德拜模型和爱因斯坦模型),解释固体的比热容随温度的变化规律,以及固体的相变现象。 此外,本书还将涉及液体和磁性物质的统计力学。对于液体,我们将探讨其结构和动力学性质,例如液体比热容、蒸发潜热以及液体的相变。对于磁性物质,我们将深入研究伊辛模型(Ising Model),这是理解铁磁性、反铁磁性等磁现象最基本的模型之一。我们将分析伊辛模型在不同维度下的相变行为,以及磁化强度随温度和磁场的变化。 本书的一个重要章节将专门讨论相变(Phase Transitions)。相变是物质从一种宏观状态转变为另一种宏观状态的现象,例如水的结冰和沸腾。我们将从统计力学的角度解释相变发生的根本原因,介绍朗道理论(Landau Theory)等用于描述相变的方法,以及临界现象(Critical Phenomena)和标度律(Scaling Laws)等概念,这些概念深刻地揭示了在相变点附近系统行为的普适性。 为了处理复杂的系统和模型,本书还会介绍近似方法和计算技术。例如,我们将讨论平均场理论(Mean-Field Theory),这是一种简化复杂相互作用的方法,能够提供对许多物理现象的定性理解。此外,本书还将介绍蒙特卡洛方法(Monte Carlo Methods),这是一种强大的数值模拟技术,广泛应用于统计力学研究,能够处理那些理论解析难以解决的问题。 本书强调统计力学在现代科学前沿中的应用。我们将简要探讨其在凝聚态物理中的作用,例如在理解超导、超流、量子霍尔效应等复杂量子现象中的关键作用。同时,本书还将触及统计力学在生物物理(如蛋白质折叠、DNA动力学)、信息论(如信息熵)、金融数学(如市场模型)等领域的交叉应用,展现统计力学作为一种普适性的科学语言的强大生命力。 总而言之,《统计力学》是一部内容丰富、逻辑严谨的著作,它不仅仅是一门物理学分支的学科介绍,更是一种深刻的思维方式。通过学习本书,读者将能够从根本上理解物质世界的宏观规律是如何由微观粒子的随机行为演化而来,从而获得洞察和分析复杂系统的强大理论工具。本书的目标是培养读者运用统计学的语言和思想去理解和解决各种科学问题,为未来的研究和探索奠定坚实的基础。

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读后感

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用户评价

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这本书的论述风格有一种独特的、近乎文学性的简洁。它避免了过度冗长或故作高深的术语堆砌,文字表达极其高效,每一个句子似乎都承载了最大的信息量。这种风格在处理那些需要大量直觉才能把握的概念时显得尤为有力。比如在探讨配分函数在统计推断中的核心地位时,作者仅仅用了几页纸,便将配分函数的概率解释、热力学量导出,以及它与信息论中熵概念的内在联系,勾勒得淋漓尽致。读起来的感受,不像是在啃一本枯燥的教材,更像是在与一位极富智慧的学者进行一场持续的、富有启发的对话。这种高密度的信息传递,要求读者必须全神贯注,因为它不会重复自己,但一旦跟上了作者的思维节奏,你会发现自己对物理世界的理解被极大地提纯和锐化了。

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阅读体验上,这本书的排版简直是物理教科书中的一股清流。不同于某些同行书籍动辄堆砌公式的粗暴方式,这里的数学推导被巧妙地穿插在文字叙述之中,公式的推导过程详略得当,既保证了严谨性,又兼顾了读者的理解节奏。作者似乎深谙初学者在面对复杂统计物理模型时的困惑点,每当一个关键的数学步骤即将出现时,总会有一段温和的引导性文字先行铺垫,仿佛一位经验丰富的导师在你耳边轻声讲解。比如在处理理想气体熵的问题时,那种对于“可区分性”和“不可区分性”的哲学探讨,被转化为精确的数学表达,使得原本抽象的概念瞬间变得具体可感。我特别欣赏它对一些经典模型,如范德华气体、伊辛模型等,所采用的讲解角度,它们并非简单地复述已知结论,而是更倾向于引导读者去“重现”这些结论的发现过程,这极大地提升了学习的主动性和趣味性。

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这本书的深度和广度达到了一个令人敬畏的平衡点。它并非只停留在本科生教材的层面,而是毫不犹豫地触及了许多研究生阶段才会深入探讨的前沿话题。例如,其中关于非平衡态统计力学的部分,虽然篇幅相对精简,但对刘维尔定理的讨论和对涨落的介绍,其深度远超预期。我注意到,作者在介绍昂萨格倒易关系时,并非仅仅给出了其表述,而是详细回顾了其在输运现象中的实际应用背景,这种理论与实验现象的紧密结合,让统计物理不再是空中楼阁般的数学游戏,而是成为理解宏观世界真实运行机制的强大工具。对于那些希望通过自学跨越到更深层次研究领域的读者来说,这本书无疑提供了一张非常扎实的路线图,它教会你的不仅仅是计算技巧,更是一种看待物理问题的全新视角——如何从微观的随机性中,精确地提炼出宏观的确定性规律。

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我个人认为,这本书最成功的一点在于它对历史背景和物理思想的尊重与传承。在介绍量子统计的部分,作者并未简单粗暴地引入费米-狄拉克和玻色-爱因斯坦分布,而是花了大篇幅去解释早期经典统计力学在处理同一性粒子时所遇到的“哥白尼式”危机,并以此自然而然地引出量子统计的必要性。这种叙事手法极大地增强了知识点的“宿命感”——你不得不接受这些结论,因为物理学的发展轨迹早已注定。它不仅是一本关于“是什么”的教材,更是一本关于“为什么是这样”的史诗。它让读者体会到,我们今天所依赖的理论,是多么艰难、曲折地从人类的困惑中挣脱出来,最终凝结成的智慧结晶。对于任何想深入理解现代物理思想根源的人来说,这种对历史脉络的梳理,其价值不亚于任何一个复杂的数学公式。

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这本书的装帧设计实在令人眼前一亮,厚实的纸张带着一种沉甸甸的学术气息,封面采用了简约的黑白配色,中央是一个精致的、似乎是某种晶格结构的几何图案,散发着一种古典与现代交织的美感。拿到手中,立刻能感受到它所蕴含的分量,那种物理学经典著作特有的庄重感扑面而来。我特意翻阅了目录部分,发现它对基础概念的覆盖非常全面,从最基础的微观状态数讲起,逐步深入到正则系综、巨正则系综的建立,再到相变理论的引入,脉络清晰得如同精心规划的棋局。特别是前几章对玻尔兹曼统计和系综理论的阐述,文字凝练,逻辑链条紧密无瑕,让人忍不住想立刻沉浸其中,去探索那个微观世界运行的终极法则。装帧上的用心程度,预示着内容本身的严谨与深度,这对于任何严肃的物理学习者来说,都是一个极大的吸引点。我期待着在接下来的阅读中,能被书中那些精妙的数学推导和深刻的物理洞察所折服。

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习题有点太多

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习题有点太多

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不适合初学者,介绍了很多应用,网上有免费电子版和部分计算机实验讨论跟程序

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有几个地方略有些跳跃,总体的结构和思路非常诡异。

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习题有点太多

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