伯克利物理学教程(SI版) 第5卷 统计物理学(精装翻译版)

前言
本书是《伯克利物理学教程》的后一卷，专门研究由许多原子或分子组成的大型（即宏观）体系，因而它为统计力学、分子运动论、热力学及热学等学科提供了入门课程。我所遵循的方法，既不是按照这些学科进展的历史顺序，也不是沿袭传统的方式。我的目标是宁可采用现代的观点，用尽可能系统和简洁的方法阐明：原子论的基本概念如何导致明晰的理论框架，能够描述和预言宏观体系的性质。
在写作这本书的过程中，我心目中的读者是：他对这门学科没有任何先入之见，在次遇到这门学科时只是从他学过基础物理和原子性质的有利地位出发。因此，我选择的叙述次序就是要对这样的读者有启发作用，他打算自己去发现如何获得宏观体系的知识。在力求使叙述明晰和统一的过程中，我系统地阐述一个基本原理作为整个讨论的基础，这个原理指出，一个孤立体系有向无规则状况接近的趋向。尽管我限于集中阐述一些简单的体系，但处理这些体系的方法是能广泛应用并易于推广的。尤其是，我在全书都试图强调物理洞察力，也就是迅速而直接地了解有重要意义的那些关系的能力。因此我力求做到：详细地讨论物理概念，而不迷失于数学公式中；用简单的例证说明普遍的抽象概念；对一些重要的量作出数值估计；把理论与由观察和实验得出的真实世界联系起来。
我不得不极其细心地选择本卷中应包括的题材。我的意图是要强调那些基本的概念，它们不但对于物理学工作者有用，也对化学、生物学或工科的读者有用。“教学说明”概括说明了本书的结构和内容，并为教师和学生提供了若干指南。本书采用非传统的讲述次序，目的在于强调宏观尺度的描述和原子尺度的描述之间的关系，然而却并不一定要牺牲那些传统的方法中所固有的优点。具体地讲，值得提出下列几个特点：
（1）读者学完第7章后（即便他略去了第6章），对于经典热力学的基本原理与重要应用的理解程度，就应像他按传统方式所学习到的一样好。当然，关于熵的意义他将有更深入的理解，还会对统计物理学有相当深入的了解。
（2）我在本书中曾特意强调，统计理论导出的某些结果，在内容上纯粹是宏观的，而且与我们对所研究体系的原子结构可能假定为什么样的模型完全无关。这样，书中就十分明显地说明了经典热力学的普适性以及与模型的无关性。
（3）虽然按历史叙述的方法极少能对某一学科提供严格的或有启发性的阐述，但是熟悉一些科学概念的演变，还是有意义的，并且是有教益的。因此，本书中也有若干必要的评论，使学生对本学科的进展有某些理解。
学习本卷所需的前提，除了经典力学和电磁学的基本知识外，只需要懂得简单的原子论以及下列初步的量子论知识：量子态和能级的意义，海森伯测不准原理，德布罗意波长，自旋的概念以及箱中的自由粒子问题。所需的数学工具不超过简单的微分、积分和泰勒级数。掌握了《伯克利物理学教程》前几卷（特别是第4卷）主要内容的读者，当然为学习本书打下了充分的基础。本书也能很好地用作任何其他现代基础物理学教程的后部分，就是说适用于二年级或二年级以上大学生水平的任何同类课程。
正如我在前言的开头指出的，我的目标是充分阐述一门复杂学科的基础，使它成为简洁的、明晰且易于为初学学生所接受的教材。虽然这个目标是值得追求的，但是达到它却是困难的。对我来说，写这本书的确是一项艰巨而独特的工作，它耗费了很多的时间，真使我感到精疲力尽。如果我知道自己已经足够好地达到了我的目的，本书确实是有些用处的，也就算是对我的某种补偿了。

本书为“十三五”国家重点出版物出版规划项目。全书研究由大量分子或原子组成的宏观体系的热运动规律。作者试图从原子论的基本概念出发，建立新的统计物理学系统。全书共8章：宏观:体系的特性；基本的概率概念；多粒子体系的统计描述；热相互作用；微观理论与宏观测量；经典近似中的正则分布；一般热力学相互作用；以及输运过程分子运动论基础。各章的大量习题不仅可以加深对概念的理解，而且对统计物理学在其他领域的应用也颇有启发。

F.Reif，1927年出生于澳大利亚，1953年毕业于哈佛大学，获物理学博士学位。1960-1989年在加州大学伯克利分校物理系任教。除本书外，其另一本代表作Fundamentals of Statistical and Thermal Physics也深受广大读者欢迎，至今仍广为流传。

中译本再版前言

“伯克利物理学教程” 序

“伯克利物理学教程” 原序（一）

“伯克利物理学教程” 原序（二）

出版说明

前言

教学说明

致谢

第１ 章　宏观体系的特性……………………………………………………………… ２

　１? １　平衡中的涨落…………………………………………………………………… ４

　１? ２　不可逆性和趋近平衡…………………………………………………………… １２

　１? ３　其他例证………………………………………………………………………… ２３

　１? ４　平衡情况的性质………………………………………………………………… ２５

　１? ５　热与温度………………………………………………………………………… ２９

　１? ６　典型的数值……………………………………………………………………… ３３

　１? ７　宏观物理的重要问题…………………………………………………………… ３９

　定义摘要……………………………………………………………………………… ４２

　建议的补充读物……………………………………………………………………… ４３

　习题………………………………………………………………………………… ４３

第２ 章　基本的概率概念…………………………………………………………… ４９

　２? １　统计系综………………………………………………………………………… ４９

　２? ２　概率之间的基本关系…………………………………………………………… ５５

　２? ３　二项式分布……………………………………………………………………… ５７

　２? ４　平均值………………………………………………………………………… ６５

　２? ５　自旋体系平均值的计算………………………………………………………… ７０

　２? ６　连续的概率分布………………………………………………………………… ７５

　定义摘要……………………………………………………………………………… ７９

　重要关系式…………………………………………………………………………… ７９

　建议的补充读物……………………………………………………………………… ８０

　习题………………………………………………………………………………… ８０

第３ 章　多粒子体系的统计描述…………………………………………………… ８８

　３? １　指定体系状态…………………………………………………………………… ８９

　３? ２　统计系综………………………………………………………………………… ９５

　３? ３　统计假设………………………………………………………………………… ９７

　３? ４　概率计算……………………………………………………………………… １０２

　３? ５　宏观体系的可到达状态数……………………………………………………… １０３

　３? ６　约束、平衡和不可逆性………………………………………………………… １０８

　３? ７　体系间的相互作用……………………………………………………………… １１３

　定义摘要…………………………………………………………………………… １１８

　重要关系式………………………………………………………………………… １１９

　建议的补充读物……………………………………………………………………… １１９

　习题………………………………………………………&helli