如何推导二维伊辛模型的配分函数?

如题所述

在铁和镍这类金属中,当温度低于居里温度(见铁磁性)时,原子的自旋自发地倾向某个方向,而产生宏观磁矩。温度高于居里温度时,自旋的取向非常紊乱,因而不产生净磁矩。当温度从大于或小于两边趋于居里温度时,金属的比热容趋于无限大。这是物质在铁磁性状态和非铁磁性状态之间的相变,它并不包含在P.厄任费斯脱所分类的相变中。伊辛模型就是模拟铁磁性物质的结构,解释这类相变现象的一种粗略的模型。它的优点在于,用统计物理方法,对二维情形求得了数学上严格的解。这就使得铁磁性物质相变的大致特征,获得了理论上的描述。这个模型所研究的系统是由N个阵点排列成n维周期性点阵,这里n=1,2,3。点阵的几何结构可以是立方的或六角形的,每个阵点上都赋予一个取值+1或-1的自旋变数i,如果i=+1,即第N个阵点的自旋向上;如i=-1,即第个N阵点的自旋向下并且认为只是最近邻的自旋之间有相互作用。点阵的位形用一组自旋变数(i=1,2,…N,)来确定。图1是一个二维伊辛模型的示意图,图中挋表示自旋向上,挌表示自旋向下。

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第1个回答  2017-11-24

20世纪30年代初,不少科学家如W.L.布喇格、E.J.威廉斯、H.A.贝特、R.E.佩尔斯等人就已从有序-无序转变问题及点阵气体等模型出发,采用平均场近似法处理伊辛模型。布喇格-威廉斯平均场近似法认为,某一阵点上的自旋取某一方向的几率同近邻阵点上的自旋取向无关,只同自旋在该方向的数目成正比。每个阵点上有一平均磁场,自旋在阵点上的取向只同该磁场有关。用这种方法可求得下列公式:式中μ是每个自旋的磁矩,n┡是每一阵点的最近邻数,H是外磁场强度,T是热力学温度,ε是自旋同向的最近邻对之间的相互作用能(铁磁性物质ε<0,非铁磁性物质ε>0),k是玻耳兹曼常数,m是每个自旋上的磁化强度,可表示为:其中N是总阵点数N、N分别代表自旋向上和向下的总阵点数,显然N+N=N。由此研究铁磁性物质的性质,得到如下结论:存在一临界温度,当T>Tc而H=0时,物质不磁化,没有相变;当T<Tc时,尽管仍有H=0,但磁化强度m可不为零(可取正值或负值),铁磁性物质存在相变。这个结论对一维、二维、三维点阵都应成立,但严格的证明指出,二维、三维伊辛模型在临界温度以上仍有相变。这反映了平均场近似法的简单、粗糙。当然,用它处理临界温度以下铁磁性物质的相变,仍是一种有意义的方法。20世纪40年代L.昂萨格对伊辛模型采用解析法得到了严格解,作出了突出的成就。这种方法的基本点,是设每个阵点的自旋变数可取+1和-1两个值,考虑阵点上自旋的某个位形,计算每个自旋同最近邻自旋的相互作用能量以及同外磁场相互作用能量,再对全部可能的位形求和,用矩阵的方法求出配分函数,从而得到各个热力学函数。