Molekularfeldtheorie

Die Molekularfeldtheorie (engl. mean field theory) ist eine Näherung, die Systeme von miteinander wechselwirkenden Teilchen als Systeme freier Teilchen in einem externen Feld betrachtet. Das externe Feld wird dabei als konstant angesehen und berücksichtigt somit nicht, dass jedes Teilchen durch sein Verhalten das Feld lokal verändert (d. h. Fluktuationen werden vernachlässigt). ^[1]

Obwohl bei dieser Näherung für viele Größen quantitativ ungenaue Werte entstehen, so gibt sie doch zahlreiche qualitative Hinweise auf das Skalenverhalten, also auf die kritischen Exponenten bei Phasenübergängen. Die Molekularfeldtheorie hängt eng mit der Landau-Theorie der Phasenübergänge zusammen.

Die Molekularfeldtheorie findet häufige Anwendung in der statistischen Physik oder der statistischen Thermodynamik, unter anderem bei der Bestimmung der Permittivität polarisierbarer Medien^[2], im Ising-Modell (Gitter aus N Spins) und in der Van-der-Waals-Theorie (Flüssigkeiten), wobei sich die Beziehung zwischen dem Isingmodell und der Flüssigkeitstheorie aus der sog. Gittergas-Interpretation des erstgenannten Modells ergibt ('Spin up' $\hat =$ 'Gitterplatz ist besetzt', 'Spin down' $\hat =$ 'Gitterplatz ist leer').

Formal betrachtet die Molekularfeldtheorie den Zustand mit dem größten Beitrag zur Zustandssumme, weshalb sie auch als klassische Näherung oder Molekularfeldnäherung bezeichnet wird.

Beispiel: N-Spin-System

Ein System aus N Spins ist durch seinen Hamilton-Operator charakterisiert:

$\hat H = -\sum_jg\mu_b\hat{\vec S_j}\vec B-\sum_{i,j}J_{ji}\hat{\vec S_j}\hat{\vec S_i}\ ,$

wobei im ersten Term der Energiebeitrag durch die Wechselwirkung der Spins mit einem äußeren Magnetfeld repräsentiert ist und im zweiten Term die Wechselwirkung der Spins untereinander, deren Eintrag in der Wechselwirkungsmatrix J_ji von Null verschieden ist.

Im Sinn der Molekularfeldtheorie wird dieser Wechselwirkungsterm nun abgeschätzt indem man die Spins $\hat{\vec S_i}$ durch den Mittelwert über das gesamte System ersetzt. Der mittlere Spin des Systems ist:

$\langle \hat{\vec S}\rangle=\frac{1}{N}\sum_{i=0}^N \hat{\vec S_i}\ .$

Der Erwartungswert eines einzelnen Spins S_i ist dann in der Molekularfeldnäherung $\langle \hat{\vec S_i}\rangle=\langle \hat{\vec S}\rangle$. Der Hamilton-Operator

$\hat H = -\sum_jg\mu_b\hat{\vec S_j}\left(\vec B+\frac{1}{g\mu_b}\sum_{i}J_{ji}\hat{\vec S_i}\right)$

wird damit zu

$\hat H = -\sum_jg\mu_b\hat{\vec S_j}\left(\vec B+\frac{1}{g\mu_b} J_j \langle \hat{\vec S} \rangle \right)\ ,$

wobei $J_j={\sum}_i J_{ji}$.

In einer weiteren Abschätzung wird J_j als gleich für alle j angenommen. Der Term in der Klammer $\vec B_{\text{eff}}=\left(\vec B+\frac{1}{g\mu_b} J \langle \hat{\vec S} \rangle \right)$ ist nun unabhängig von den einzelnen Wechselwirkungen im System und kann wie ein effektives äußeres Magnetfeld verstanden werden. Dieses kann man nun in die Lösungen für das Problem freier Spins (J_ji = 0) anstelle des Magnetfelds einsetzen. Im Fall eines entlang der z-Achse ausgerichteten Magnetfeldes $\vec B = B \vec e_z$ ergibt sich aus dem Erwartungswert der z-Komponente der Spinssumme S:

$\langle\hat{S_z}\rangle=S\ \operatorname{B}_S\left(\frac{Sg\mu_bB}{k_BT}\right)\ ,$

mit der Brillouin-Funktion $\operatorname{B}_S(\cdot)$ zum Spin S der Erwartungswert für wechselwirkende Spins zu

$\langle\hat{S_z}\rangle=S\ \operatorname{B}_S\left(Sg\mu_b\left(\vec B+\frac{1}{g\mu_b} J \langle \hat{\vec S} \rangle \right)/(k_BT)\right)\ .$

Die Molekularfeldtheorie vernachlässigt Korrelationen der physikalischen Größen, d. h. es wird angenommen, dass $\langle S_1 S_2\rangle=\langle S_1\rangle\langle S_2\rangle$. Daraus folgt unmittelbar, dass die Molekularfeldtheorie am kritischen Punkt eines Phasenübergangs, und in dessen Nähe, zusammenbricht.

Literatur

Molekularfeldtheorie des Ferromagnetismus (Universität Bayreuth), abgerufen am 24. Dezember 2009, 16:57

Einzelnachweise

1. ↑ D.J. Amit: Field Theory, the Renormalization Group, and Critical Phenomena, World Scientific, 1978, ISBN 9971-966-10-7.
2. ↑ C. Itzykson, J.M. Drouffe: Statistical Field Theory, Cambridge University Press, 1989, ISBN 0-521-40805-9.