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熱的ド・ブロイ波長と絶対活動度

2026年10月15日2分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第5章 基礎の整理:量子統計と状態密度

AI 生成・木下が未勉強

統計熱力学入門 第5章 §5.3 ★★ λT\lambda_T・z=eβμz=e^{\beta\mu}・縮退度 NVλT3\dfrac{N}{V}\lambda_T^{3}。高温/量子の境目を測る無次元量。

温度 TT の粒子の量子的な「広がり」を表す長さが熱的ド・ブロイ波長

λT=h2πmkBT=hβ2πm,λT3=h3β3/2(2πm)3/2\lambda_T=\frac{h}{\sqrt{2\pi m k_{\mathrm{B}} T}}=h\sqrt{\frac{\beta}{2\pi m}},\qquad \lambda_T^{3}=\frac{h^3\beta^{3/2}}{(2\pi m)^{3/2}}

である。NλT3/VN\lambda_T^3/V は「1 粒子の占める体積 V/NV/N に対し波束がどれだけ重なるか」を測る無次元量で、これが ≪1\ll1 のとき希薄・高温(古典的)、≳1\gtrsim1 のとき量子効果が顕在化する。化学ポテンシャルは絶対活動度

z=eβμz=\mathrm{e}^{\beta\mu}

を通して現れることが多い。z→0z\to0 が古典極限(μ→−∞\mu\to-\infty)に対応する。

要点

zz に β\beta が入っていることについて。z=eβμz=\mathrm{e}^{\beta\mu} は β\beta と μ\mu の組み合わせであって独立変数ではない。それでも zz を変数のように扱えるのは温度 TT を固定した文脈だからである。固定 β\beta のもとでは zz と μ\mu はμ=β−1ln⁡z\mu=\beta^{-1}\ln z で一対一に対応し、「zz で書く」ことは「μ\mu を別名で書く」ことに等しい。第6章の高温展開はすべて β\beta を固定して密度(したがって μ\mu、したがって zz)を動かす操作なので、zz のβ\beta 依存を無視しているのではなく、β\beta が単に定数なのである。一方、エネルギーや比熱のようにβ\beta で微分するときは zz の一定形に頼らず独立変数 (β,μ)(\beta,\mu) に戻す。実際、密度一定で温度を変えると μ\mu 自身が TT に依存し(第7章の Sommerfeld 補正 μ(T)\mu(T) がその例)、その β\beta 依存はきちんと追跡される。分布関数を zz ではなく β(ε−μ)\beta(\varepsilon-\mu) の形で書いておくのは、どちらの操作でも曖昧さが出ないようにするためでもある。

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