10 The Method of Cluster Expansions 1 Cluster
- Slides: 35
10. The Method of Cluster Expansions 1. Cluster Expansion for a Classical Gas 2. Virial Expansion of the Equation of State 3. Evaluation of the Virial Coefficients 4. General Remarks on Cluster Expansions 5. Exact Treatment of the Second Virial Coefficient 6. Cluster Expansion for a Quantum Mechanical System 7. Correlations & Scattering
Cluster expansions = Series expansion to handle inter-particle interactions Applicability : Low density gases Poineers : Mayer : Classical statistics. Kahn-Uhlenbeck, Lee-Yang : Quantum statistics
10. 1. Cluster Expansion for a Classical Gas Central forces : Partition function :
where Configuration integral Non-interacting system ( uij = 0 ) : Let L-J potential
Graphic Expansion All possible pairings 8 -particle graphs : = = factorized = =
l - Cluster Each N-particle integral is represented by an N-particle graph. Graphs of the same topology but different labellings are counted as distinct. An l-cluster graph is a connected l-particle graph. ( Integral cannot be factorized. ) E. g. , 5 -cluster : = Integrals represented by l-clusters of the same topology has the same value. All possible 3 -clusters : = =
Cluster Integrals Cluster integral : Let = dimension of X. X is dimensionless ru = range of u For a fixed r 1 , is indep of V. is indep of size & shape of system
Examples V(r 1) = volume of gas using r 1 as origin.
ZN Let ml = # of l-cluster graphs Let for each N-particle graph be the sum of all graphs that satisfy # of distinct ways to assign particles into is Let there be pl distinct ways to form an l-cluster, with each giving an integral Il j. Then the sum of all distinct products of ml of these l-clusters is The factor ml ! arises because the order of Il j within each product is immaterial.
where
Z, Z, F, P, n
10. 2. Virial Expansion of the Equation of State Virial expansion for gases : Invert gives Mathematica
In general : (see § 10. 4 for proof ) irreducible cluster integral ( dimensionless ) Irreducible means multiply-connected, i. e. , more than one path connecting any two vertices. c. f.
10. 3. Evaluation of the Virial Coefficients Lennard-Jones potential : Precise form of repulsive part ( u > 0 ) not important. Can be replaced by impenetrable core ( u = r < r 0 ). Precise form of attractive part ( u < 0 ) important : Useful adjustable form : minimum
a 2 For : Bl are also called the virial coefficients
van der Waals Equation for c. f. van der Waals eq. v 0 = molecular volume see Prob 1. 4 Condition r 0 = molecular diameter ( dilute gas )
B 2 where Reduced Lennard-Jones potential
Hard Sphere Gas Molecules = Hard spheres Step potential : D = diameter of spheres D Mathematica D
Mathematica See Pathria, p. 314 for values of a 4 , a 5 , a 6 & P. Approximate analytic form of the equation of state for fluids ( : )
10. 4. General Remarks on Cluster Expansions Cluster Expansion :
Coefficients of Zjk in (. . . )l sum to 0. Classical ideal gas : (. . . )l ~ sum of all possible l-clusters are independent of V (. . . )l V Rushbrooke :
Semi-Invariants Constraint (l ) : Semi-Invariants Inversion :
Proof of inversion QED
A theorem due to Lagrange : Solution x(z) to eq. where is
constraint (j 1) : Inversion due to Mayer : constraint (l 1) :
10. 5. Exact Treatment of the Second Virial Coefficient u(r) = 0 where Total Let Reduced
Let spectrum of interacting system consist of a discrete (bounded states) part & a continuum (travelling states) part with DOS g( ).
Unbounded states ( n > 0 ) where l = phase shift
For the purpose of counting states ( to get g( ) ), we discretize the spectrum by setting for some . k l m is 2 l+1 fold degenerate For a given l , e/o means l in sum is even/odd for boson/fermion For u = 0 :
From § 7. 1 & § 8. 1 : Boson Fermion
b 2(0) From § 5. 5 : Alternatively, using the statistical potential from § 5. 5 same as before
Hard Sphere Gas In region where u = 0, Mathematica
1. No bound states for hard sphere gas. 2. Mathematica
- Lesson 9 decimal expansions of fractions
- Half-range expansions
- Method method method
- Hình ảnh bộ gõ cơ thể búng tay
- Lp html
- Bổ thể
- Tỉ lệ cơ thể trẻ em
- Voi kéo gỗ như thế nào
- Thang điểm glasgow
- Hát lên người ơi alleluia
- Các môn thể thao bắt đầu bằng tiếng chạy
- Thế nào là hệ số cao nhất
- Các châu lục và đại dương trên thế giới
- Công thức tính độ biến thiên đông lượng
- Trời xanh đây là của chúng ta thể thơ
- Mật thư anh em như thể tay chân
- 101012 bằng
- độ dài liên kết
- Các châu lục và đại dương trên thế giới
- Thể thơ truyền thống
- Quá trình desamine hóa có thể tạo ra
- Một số thể thơ truyền thống
- Cái miệng nó xinh thế chỉ nói điều hay thôi
- Vẽ hình chiếu vuông góc của vật thể sau
- Nguyên nhân của sự mỏi cơ sinh 8
- đặc điểm cơ thể của người tối cổ
- Ví dụ giọng cùng tên
- Vẽ hình chiếu đứng bằng cạnh của vật thể
- Tia chieu sa te
- Thẻ vin
- đại từ thay thế
- điện thế nghỉ
- Tư thế ngồi viết
- Diễn thế sinh thái là
- Dạng đột biến một nhiễm là
- Các số nguyên tố là gì