「確率にするために Σ exp(−β Ej ) で割る」というのがよくわからない
教科書(マッカーリ・サイモン17章)の記法に従い、少し丁寧に説明します。
教科書では小文字の a は「ある状態にある系の数」を表しています。(p.733 式(17.4) の下 1 行目)
授業で説明したように、系はとびとびのエネルギーを持つ複数の状態のうちのどれかひとつの状態にあります。
また、アンサンブル中には系は無数にあります。
というわけで、「状態 k にある系の数」(ak)というのを考えることができます。
ボルツマン分布則は、2 つの状態について、この a の比が、次の式で表せると言っています。
... (17.10)
ここで Ek は状態 k にある系のエネルギー、 です。(kB はボルツマン定数)
式(17.10) は次のようにも書けます。
... (17.11)
C は定数です。
全部の状態の中で、系が状態 k を取る確率 pk は、
(状態 k をとる系の数)/(全部の系の数) になるので
となります。C を約分すると、
... (17.13)
となり、冒頭の「確率にするために で割る」という形になります。
系の数の「比」を扱うので、式(17.11) の定数 C は消えてしまいます。
教科書では系の総数 A を経て導出しています。 となるのがどの状態かは決まっていないので、(私は授業で基底状態と説明してしまいましたが)、教科書ではこれを巧みに避けて式の展開が行われています。
式(17.13) の分母が分配関数 Q であり、これから系の様々な巨視的な性質が導かれるというのは、授業で述べたとおりです。
... (17.14)