Почему мы не рассматриваем вращение как степень свободы в одноатомных газах?

Я полностью понимаю, что средняя энергия каждой степени свободы в термодинамической системе равна (1/2)kT и что мы не рассматриваем спин вокруг оси симметрии в многоатомной молекуле, поскольку атомы разбросаны по сравнению с размером ядра, так что момент инерции становится значительно малым для вращения вокруг собственной оси, и эта энергия не будет сравнима со свободой вращения.

Но почему бы нам не рассмотреть его для одноатомных газов, так как согласно закону равнораспределения каждой степени свободы была бы дана одинаковая энергия и, таким образом, чтобы компенсировать это, увеличилась бы угловая скорость?

PS: Пожалуйста, старайтесь избегать квантовой физики и т. д., если это возможно.

Вы говорите о спине ядер или спине электронов?
Если рассматривать атом как точечную частицу, он может иметь три разных направления скорости (три степени свободы). Но для точечных частиц нет вращения (на самом деле атом не точечен, но энергия, содержащаяся во вращении, никогда не может быть такой же большой, как энергия линейного движения).
спин входит в макроскопические столкновения шаров osapublishing.org/DirectPDFAccess/… ., поэтому ответ должен быть в том, что размер атома таков, что его можно считать точечным.
ответ здесь говорит так: физика.stackexchange.com/ q/192746, а также Джон здесь : физика.
@Павло Б. Действительно, можно было бы иметь в виду даже орбитальный импульс электрона.
Если вы хотите избежать квантовой механики, избегайте термина «спин».
@Павло Б. Я говорю об атоме в целом, включая электроны и ядра. В основном вращение атома вокруг собственной оси.
@my2cts Я имел в виду вращение атома вокруг своей оси в многоатомных молекулах, поскольку момент инерции вокруг его оси симметрии был бы значительно ниже из-за того, что размер ядра <<размеру атома, но в одноатомных газах нет другую ось для сравнения, и поскольку одноатомные газы (скажем, гелий) не связаны с другими атомами, молекула не будет ионизироваться, пока не получит значительную энергию, так почему бы нам ее не рассмотреть?
@DescheleSchilder Почему энергия вращения не может быть такой же высокой, как энергия линейного движения?
@PhyicisILY В своем вопросе вы сказали, что понимаете, почему вращение, скажем, двухатомного атома вокруг оси длины не способствует энергии, в то время как два вращения вокруг двух других осей вносят свой вклад. Разве вращение вокруг оси длины тоже не вращение?
@PhyicisILY Представьте себе очень маленькую металлическую сферу. Если вы подбросите его в воздух, то быстро сможете. Какое движение внесет наибольший вклад в общую кинетическую энергию маленького шарика?
@PhyicisILY Или представьте себе те же сферы в коробке в открытом космосе. Они имеют среднюю (линейную) кинетическую энергию. У них также есть средняя вращательная энергия, но она очень мала по сравнению с линейной энергией. Почему?
Это, конечно, именно то, что вы спрашиваете. Дело в том, что если атомам придать прямолинейное движение, то лишь малая часть этого линейного движения преобразуется во вращательное движение. При каждом столкновении происходит обмен импульсами. Два сталкивающихся атома, обладающих только линейным импульсом, после столкновения могут иметь вращение. Но это вращение может снова разрушиться при следующем столкновении. Когда все изначально имеют только линейный импульс, только небольшая часть этого линейного импульса превращается во вращательную энергию.
Какую максимальную скорость может иметь внешняя часть атома? Согласны ли вы с тем, что (в среднем) эта скорость не может превышать линейной скорости атомов?
Я отредактировал заголовок / теги из-за путаницы с квантово-механическим вращением. Пожалуйста, дайте мне знать, если это неправильное редактирование.

Ответы (3)

Если мы избегаем квантовой механики, то спина не существует, поэтому его не нужно рассматривать :)

А если серьезно, то рассмотрение спина в учебниках по базовой статистической физике лишь излишне усложнит обсуждение — помните, что эти тексты предназначены для обучения студентов статистической физике, а не для представления теоретических исследований реальных явлений.

Хорошая практическая причина, по которой спином можно пренебречь, состоит в том, что в отсутствие магнитного поля спиновые состояния вырождены, поэтому перераспределение энергии между ними тривиально и не нуждается в специальном рассмотрении. Более того, многие одноатомные газы имеют нулевой полный спин (часто основное состояние является синглетным).

Однако, если присутствует магнитное поле, возможно, придется учитывать вращение - возможно, люди, разбирающиеся в астрофизике или плазме, могли бы привести соответствующие примеры.

Обновление
В комментариях было отмечено и уточнено в отредактированном вопросе, что суть вопроса заключается не в спине отдельных частиц, а в угловом моменте молекул (который состоит из механического углового момента молекулы в целом и спины составляющих частиц). В этом отношении классическая статистическая механика рассматривает атомы как точечные объекты или, в лучшем случае, сферически-симметричные объекты, так что направлением углового момента в термодинамических расчетах все же можно пренебречь.

Существующую асимметрию, возможно, придется учитывать на уровне, где играет роль внутренняя структура атомов, т. е. там, где важны переходы между атомными энергетическими уровнями. В качестве примера можно рассмотреть термодинамическое состояние газа в разрядной лампе или газовом лазере. Опять же, такие случаи не учитываются в базовой статистике. учебники по физике, и довольно легко лечатся после освоения основ.

По первому предложению: это неправда. Существует классическая модель внутреннего спина, так же как и квантовая модель спина. Классически он возникает при рассмотрении лоренц-ковариантных симметрий и приводит к классическому спинору (тому, компоненты которого все являются c-числами и все могут наблюдаться одновременно).
@AndrewSteane Это технически правильно, но суть вопроса не в этом. Более того, я не думаю, что ОП имел в виду релятивистскую статистическую механику.

Дело в том, что для того, чтобы атомы приобрели значительное количество вращательной энергии, они должны столкнуться с другими атомами весьма специфическим образом. Конечно, все атомы могутимеют ту же вращательную энергию, что и линейная энергия. Они могут даже все иметь только вращательную энергию без линейной энергии. Точно так же они могут иметь только линейную энергию. Однако это очень маловероятно из-за природы столкновений между атомами, при которых происходит обмен только значительным количеством энергии вращения, если они сталкиваются по касательной, и для того, чтобы столкновения передавали атомам значительное количество энергии вращения, столкновения должны происходить в одно и то же относительное (к направлению вращения) направление каждый раз, когда они сталкиваются, что крайне маловероятно. Вращательное движение не учитывается для определения температуры одноатомного газа. Для двухатомного газа учитывается только вращательное движение, связанное с осями, перпендикулярными оси, соединяющей атомы (вы сказали, что понимаете это).

Я прекрасно понимаю, почему мы не рассматриваем спин вокруг оси симметрии в многоатомной молекуле.

По той же причине не учитывается энергия вращения отдельных атомов (вращение двухатомного вещества вокруг оси длины двухатомного вещества включает только вращение атома). Почему эти обороты не учитываются? По той же причине, что и для одиночных атомов.

Когда атомы имеют линейную скорость в , то скорость вращения на поверхности атома может быть не более 2 в , максимальная относительная скорость между двумя атомами. В этом случае атомы имеют вращательную энергию 4 10 м в 2 , что почти равно кинетической энергии. Однако вероятность того, что эта ситуация реализуется, очень мала.

Это из-за предположения о симметрии одноатомной газовой частицы.

Проще говоря, если одноатомный газ «вращается», то состояние после вращения неотличимо от исходного состояния.

Отдельный атом может иметь орбитальный угловой момент, электронный и ядерный спин.
Да, но в классической модели термодинамики предполагается, что энергия равна нулю.
Вы говорите о классических частицах или квантово-механических атомах? В классическом случае вращение имеет заметный эффект. В квантовом случае это не так, если только атом не обладает каким-либо угловым моментом. Также следует отличать вращение газа от вращения частицы в нем. Ваш ответ нуждается в небольшом ремонте.