The instability conditions of a gas trapped in weak weakly interacting Fermi magnetic field

In this paper the analytical expression of free energy expressed by small parameter r of a weakly interacting Fermi gas trapped in weak magnetic field is derived by using `the maximum approximation' method and the ensemble theory. Based on the derived expression, the exact instability conditions of a weakly interacting Fermi gas trapped in weak magnetic field at both high and low temperatures are given. From the instability conditions we get the following two results. (1) At the whole low-temperature extent, whether the interactions are repulsive or attractive with (ɑn + 4\varepsilon_F/3) (n and \varepsilon _F denote the particle-number density and the Fermi energy respectively, ɑ= 4π a\hbar_F/ m, and a is s-wave scattering length) positive, there is a lower-limit magnetic field of instability; in addition, there is an upper-limit magnetic field for the system of attractive interactions with (ɑ n + \varepsilon_F/3) negative. (2) At the whole high-temperature extent, the system with repulsive interactions is always stable, but for the system with attractive interactions, the greater the scattering length of attractive interactions | a | is, the stronger the magnetic field is and the larger the particle-number density is, the bigger the possibility of instability in the system will be.     

硬球势中相对论费米气体的热力学性质

用量子统计与数值模拟相结合的方法,在广义外势中相对论费米系统的热力学量的基础上,研究硬球势中相对论费米气体的热力学性质.得到了考虑相对论效应时系统的内能和热容量的解析表达式,分析了相对论效应对内能和热容量的影响.研究表明:与非相对论比较,相对论费米气体的内能和热容量更高;相对论特征量越大,热容量的转折温度越低;随着温度的升高,特征量越大,内能就越大.     

弱相互作用费米气体的热力学性质

根据赝势法导出无外势时弱相互作用费米气体的化学势、内能和定容热容的解析表达式.在此基础上，采用局域密度近似研究谐振势中弱相互作用费米气体的热力学性质，探讨粒子间相互作用对系统性质的影响. 关键词： 费米气体 相互作用 赝势法 局域密度近似 热力学性质     

弱磁场中弱相互作用费米气体的热力学性质

根据赝势法和系综理论导出弱磁场中弱相互作用费米气体的内能、化学势和热容量的小参数r的解析式.在此基础上给出高温和低温两种情况下弱磁场中弱相互作用费米气体的热力学性质,探讨磁场及粒子间相互作用对热力学性质的影响,分析磁场与三维谐振势两种约束对系统性质影响的不同及其原因. 关键词： 赝势法 费米气体 相互作用 热力学性质     

有限尺度下弱相互作用费米气体的热力学性质

基于巨正则系综理论和数值模拟方法,研究有限尺度下弱相互作用费米气体的热力学性质,给出系统低温下的化学势、能量及热容量的解析式,分析弱相互作用、有限尺度效应对系统热力学性质的影响.研究表明,有限尺度和排斥相互作用增大了系统的化学势、能量,吸引相互作用减小了系统的化学势、能量.相互作用受到尺度的调制,尺度变大,相互作用影响变小,相互作用和尺度效应都受到温度的调制,温度升高,相互作用和尺度的影响减小.尺度和相互作用的一级修正对热容量无影响.     

有限尺度下弱相互作用费米气体的热力学性质

基于巨正则系综理论和数值模拟方法,研究有限尺度下弱相互作用费米气体的热力学性质,给出系统低温下的化学势、能量及热容量的解析式,分析弱相互作用、有限尺度效应对系统热力学性质的影响.研究表明,有限尺度和排斥相互作用增大了系统的化学势、能量,吸引相互作用减小了系统的化学势、能量.相互作用受到尺度的调制,尺度变大,相互作用影响变小,相互作用和尺度效应都受到温度的调制,温度升高,相互作用和尺度的影响减小.尺度和相互作用的一级修正对热容量无影响.     

强磁场中弱相互作用费米气体的热力学性质

基于赝势法和局域密度近似研究了强磁场中弱相互作用费米气体的热力学性质,得出化学势、总能和热容量的解析式,同时分析了磁场及相互作用对系统热力学性质的影响.研究表明,无论是高温情况还是低温情况下,磁场都能调节相互作用的影响.低温下,与无磁场的系统相比,磁场降低系统的化学势、总能和热容量;与无相互作用系统相比,排斥作用增加化学势而降低总能及热容量.高温下,磁场和排斥作用均可降低系统的总能而增加热容量,强磁场可以改变相互作用对总能及热容量的影响. 关键词： 强磁场 弱相互作用 费米气体 热力学性质     

Unified properties of a weakly interacting Fermi gas in a weak magnetic field

When the orbital motion and the spin motion of particles were considered simultaneously, the thermodynamic potential function of a weakly interacting Fermi gas in a weak magnetic field was derived using the thermodynamics method. Based on the derived expression, the analytical expressions of energy, heat capacity, chemical potential, susceptibility and stability conditions of the system were given, and the effects of the interparticle interactions as well as the magnetic field on the properties of the system were analyzed. It was shown that the magnetic field always causes energy and stability to decrease, while the chemical potential of the system to increase. The repulsive (attractive) interactions always increase (decrease) energy and stability, but decrease (increase) the chemical potential and paramagnetism. The repulsive (attractive) interactions decrease (increase) heat capacity of the system at high temperatures but increase (decrease) it at low temperatures.     

弱磁场中弱相互作用玻色气体的热力学性质

运用外势中弱相互作用玻色体系的理论结论,研究弱磁场中弱相互作用玻色气体的高温热力学性质,给出系统总能和热容量的解析式,分析粒子之间的相互作用及磁场对系统热力学性质的影响.研究结果表明,排斥(吸引)对粒子和能量的空间分布有集中(分散)作用,并使得系统的化学势、总能、热容量都增大(减小);加强磁场既可使得粒子和能量的空间分布趋于分散又可削弱相互作用对粒子和能量空间分布的影响.相互作用对各个特征量的影响也有着不同的个性表现.     

强磁场中Fermi气体的稳定性及顺磁性

运用理论解析和数值模拟的方法,研究强磁场中Fermi气体在低温下的稳定性及顺磁性, 分析温度、磁场对稳定性及磁化率的影响.研究结果显示,强磁场引起系统稳定性的改变, 这种改变与温度有关,而温度对稳定性改变及磁化率的影响又与自由气体的化学势即粒子数密度有关. 当自由系统的化学势为偶数时,磁场弱化系统的稳定性,温度升高可降低系统的磁化率; 当自由系统的化学势为奇数时,磁场强化系统的稳定性,温度升高可增大系统的磁化率. 升高温度,可以弱化磁场对系统稳定性的影响;加强磁场,可以使得系统稳定性的改变发生振荡, 使系统磁化率的振荡中心下移.     

弱相互作用费米气体的相对论顺磁性

通过考虑单粒子的相对论能量并且应用量子统计方法,研究弱磁场中弱相互作用费米气体的相对论顺磁性,求解相对论性的最可几磁化率及平均磁化率,讨论相对论效应对最可几磁化率的影响,给出相对论性的粒子数的临界值. 结果显示, 与非相对论情况比较,当 时, 相对论情况下的最可几磁化率和粒子数的临界值都没有变化. 当 时,相对论效应使系统呈现顺磁性容易,而且相对论效应增加磁化率,同时也放大了相互作用对磁化率的影响.     

弱相互作用费米气体的相对论顺磁性

通过考虑单粒子的相对论能量并且应用量子统计方法,研究弱磁场中弱相互作用费米气体的相对论顺磁性,求解相对论性的最可几磁化率及平均磁化率,讨论相对论效应对最可几磁化率的影响,给出相对论性的粒子数的临界值. 结果显示, 与非相对论情况比较,当 时, 相对论情况下的最可几磁化率和粒子数的临界值都没有变化. 当 时,相对论效应使系统呈现顺磁性容易,而且相对论效应增加磁化率,同时也放大了相互作用对磁化率的影响.     

弱相互作用费米气体的不稳定性判据

根据由赝势法得到的弱相互作用费米气体的自由能，利用热力学方法研究了无外场时弱相互作用费米气体的稳定性.结果表明，无外场情况下理想费米气体与存在弱排斥相互作用的费米气体是稳定的；而具有弱吸引相互作用的费米气体在一定条件下可出现不稳定性.给出了不稳定性的粒子数密度判据和温度判据，就不同逸度情况下临界粒子数密度的具体表达结果以及温度、粒子质量和吸引相互作用对临界粒子数密度的影响进行了讨论. 关键词： 费米气体 相互作用 不稳定性判据     

Relativistic thermodynamic properties of a weakly interacting Fermi gas in a weak magnetic field

This paper derives the analytical expression of free energy for a weakly interacting Fermi gas in a weak magnetic field, by using the methods of quantum statistics as well as considering the relativistic effect. Based on the derived expression, the thermodynamic properties of the system at both high and low temperatures are given and the relativistic effect on the properties of the system is discussed. It shows that, in comparison with a nonrelativistic situation, the relativistic effect changes the influence of temperature on the thermodynamic properties of the system at high temperatures, and changes the influence of particle-number density on them at extremely low temperature. But the relativistic effect does not change the influence of the magnetic field and inter-particle interactions on the thermodynamic properties of the system at both high and extremely low temperatures.     

反常磁矩对弱磁场弱相互作用费米气体热力学性质的影响

考虑费米子的反常磁矩, 运用赝势法和热力学理论, 导出弱磁场中弱相互作用费米气体自由能的解析式, 以此为基础给出高温和低温情况下系统热力学性质, 分析反常磁矩对热力学性质的影响机理. 研究表明: 反常磁矩对热力学性质的影响与温度相关, 而且这种影响随温度的上升在低温区是增大的, 在高温区是减小的; 对于系统的化学势、内能, 反常磁矩加强了磁场的影响, 弱化了相互作用的影响; 对于系统的热容量, 反常磁矩在低温区使其减小, 在高温区使其增加.     

The stability of a non-extensive relativistic Fermi system

Based on the statistical theory of non-extensive relativity,and using theoretical analysis and numerical simulation,the non-extensive mechanical stability of ultra-relativistic free Fermi gas is investigated.The expressions of the stability conditions under high and low temperatures are given,and the mechanisms of the influences of temperature,ultrarelativistic effect,and non-extensive parameter q on stability are analysed.Our results show that at high temperature and under the condition of q < 1,the stability of a non-extensive system is weaker than that of an extensive system,and the relativistic effect reduces system stability as compared with a non-relativistic system.However,under the condition of q > 1,the stability of the non-extensive system is stronger than that of the extensive system,and the relativistic effect strengthens the system stability as compared with the non-relativistic system.In addition,under the condition of low temperature,the variation of the stability of the non-extensive system with temperature has a turning point.     

Thermodynamic coefficients of ideal Fermi gas

We present analytical formulae for the first and second derivatives of the Helmholtz free energy of non-relativistic ideal Fermi gas. Important thermodynamic quantities such as heat capacity, sound velocity, heat capacity ratio, and others are explicitly expressed through the derivatives. We demonstrate correct ideal Boltzmann gas and low-temperature Fermi gas asymptotes and derive corrections to thermodynamic functions for these limiting cases. Numerical computations of thermodynamic properties of ideal Fermi gas can be accurately performed using the developed freely available Python module ifg .     

强磁场中相互作用费米气体的相对论稳定性

由单粒子的弱相互作用能谱及泊松公式,导出了强磁场中相互作用费米气体的相对论热力学势函数,求解了系统力学稳定性的判别式,分析了相互作用、磁场及相对论效应对系统稳定性的影响机理.结果表明,强磁场中弱相互作用费米气体的力学稳定性会受到弱相互作用的影响,强磁场对这种影响具有调节作用,而相对论效应对相互作用的影响基本没有调节作用.     

实际费米气体的低温性质

实际气体粒子间都存在弱的相互作用,利用赝势法求出无外势时实际费米气体的能谱,导出了低温低密度下实际费米气体的化学势、压强、熵、内能和定容热容等物理量的解析表达式,探讨了粒子间相互作用对系统低温性质的影响．     

强磁场中相互作用费米气体的相对论稳定性

由单粒子的弱相互作用能谱及泊松公式,导出了强磁场中相互作用费米气体的相对论热力学势函数,求解了系统力学稳定性的判别式,分析了相互作用、磁场及相对论效应对系统稳定性的影响机理。结果表明,强磁场中弱相互作用费米气体的力学稳定性会受到弱相互作用的影响,强磁场对这种影响具有调节作用,而相对论效应对相互作用的影响基本没有调节作用。