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Partition function

Quantum Particle & Partition Function Notes

Partition Function of a Particle in 3D Box

Separation of Partition Function

Z = Zx Zy Zz
Zx = Σ exp[-β (ħ²π² / 2m) (nx² / Lx²)]

Similarly, Zy and Zz are defined. To evaluate these sums, we convert summation into integration.

Integral Approximation

Zx = ∫ exp[-β (ħ²π² / 2m)(nx² / Lx²)] dnx

Let:

nx² (β / 2m)(ħπ / Lx)² = u²

For lower limit nx = 1, u ≈ 0, so limits become 0 to ∞.

Zx = ∫ (2m/β)1/2 (Lx / ħπ) e-u² du
Zx = (m / 2πβħ²)1/2 Lx
0 e-u² du = √π / 2

Similarly

Zy = (m / 2πβħ²)1/2 Ly
Zz = (m / 2πβħ²)1/2 Lz

Total Partition Function

Z = Zx Zy Zz
Z = (m / 2πβħ²)3/2 V

Where V = Lx Ly Lz is the volume of the container.

Average Energy of Ideal Gas

If probability of i-th state is Pi, then average energy:

Ē = Σ Pi Ei

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