Микросъстояние на микрочастица - Студопедия
В момента квантовата механика решава проблемите на целостта и сложността на микрообектите. Микрочастиците се наричат елементарни частици, атомни ядра, атоми и молекули. Квантовата механика показва, че фундаменталните физични величини имат определена стойност и не подлежат на допълнително подразделение.Неделимостта на минималния квант на действие показва целостта на обектите на природата. Един обект може да бъде съставен до определена граница. След това става цяло. До тази граница целостта на даден обект зависи от неговото състояние. Държавата се подчинява на принципа на суперпозицията. Състоянието на даден обект има набор от физически характеристики, които в ограничаващия случай не са съставни.
Най-важната характеристика на микродържавата е нейнатаинтегритет. Това състояние може да се сравни с пространствения вектор, който може да се разложи на базисни вектори и по координатните оси. Установено е, че всяка проекция на вектора"помни", от кой вектор е получена. Когато едно микросъстояние се промени, неговата цялост се запазва. Микрообектите, които имат цялост, когато техните части са разделени една от друга на макроразстояния, не губят своята взаимовръзка. Например, по време наанихилация на електрон и позитрон се образуват два светлинни кванта. Те излитат в противоположни посоки. Между тях, според квантовата механика, се запазва връзка. Всеки квант във всеки един момент знае къде е другият и какво се случва с него. Комуникацията се осъществява чрез предаване на информация чрез полета, коитовсе още не са известни на физиката. Ако промените състоянието на един от фотоните, тогава състоянието на другия фотон също се променя, въпреки че те са далеч един от друг. Този факт показва целостта на двуфотонното микросъстояние.Установено е, че микросъстоянието не определя състоянието на неговите части, а макросъстоянието.
Фактът, че микрочастиците имат микросъстояние, за първи път се досеща от швейцарския теоретичен физикВолфганг Паули. През 1924 г. той излага хипотеза, че електронът има вътрешна характеристика, която няма класически аналог. През 1925 г. Дж.Uhlenbeck и S.Goudsmit експериментално показаха, че електронът има ротационен момент, т.е. завъртане. Това доказва хипотезата на Паули. Освен това беше установено, че електронът има две стойности на въртене:
къдетоse – спин на електрона, ge=±(1/2) -квантово число на спина. По-късно се оказа, че спинът е присъщ на всички елементарни частици, той е фундаментална величина, като масата и заряда. Въртенето на сложните частици се определя чрез сумиране на завъртанията на отделните микрочастици, които изграждат сложни частици. Ако една сложна частица се състои от три малки, то при антипаралелизъм на спиновете нейният спин ще бъде равен на±(1/2) ּћ –, а при паралелизъм на спиновете ще бъде равен на±(3/2) ּћ.
Учените първо теоретично и след това експериментално доказаха, че електронът има свой собствен магнитен момент и той зависи от техните завъртания:
μе=(е/m ּc) ּse=±(е ּћ/2 ּm ּc),
къдетоμе е магнитният момент,е е зарядът,m е масата иse - на спин-електрона,c е скоростта на светлината. Тази формула показва, че магнитният момент има две противоположни посоки. Експеримент, проведен през 1921 г. отСтърн и Герлах, които прокараха поток от електрони през магнитно поле, установи, че електроните са разделени на два потока с приблизително еднакъв интензитет. По това време учените не можаха да обяснят причинитепоява на два електронни потока. Причините за това явление по-късно бяха обяснени от теоретици, които показаха, че първият поток от електрони има магнитно поле в обратна посока по отношение на втория поток.
Минималната стойност на енергията, импулса и ъгловия момент, предавани от един обект на друг с помощта на електромагнитни вълни, се определя по следните формули:
∆ε=ћω; ∆р=ћκ; ∆L= g ћ,
където ω=2π/T е цикличната честота, κ=2π/λ е вълновото число, λ е дължината на вълната на електромагнитното излъчване, g=±1 е спиновото квантово число на фотона. По този начин основните характеристики на фотона са съответно равни:
От тези формули се вижда, че фотонът се характеризира с две групи величини: 1)εph, rf, Lph и 2)ω, κ, g. Фотонът, подобно на електрона, има две спинови състояния: “+”1ћ и “-”1ћ.
Първата група от стойности характеризира самия фотон, а втората група характеризирасъстоянието на фотона. Открихме, че всички квантови числа като спин, изоспин, странност, чар, красота, цвят, паритет, лептонен заряд, барионен заряд характеризиратвътрешното състояние на микрообект.
Целостта на микросъстоянията се проявява много ясно за системи, състоящи се от идентични микрочастици. Индийският физикШатиендранат Бозе получава формулите за статистиката на разпределението на частиците, така наречените бозони. Той, с помощта на стойността на спина, въведе принципаидентичност на частиците. Частиците с цели спинове се наричат бозони, а частиците с полуцели спинове се наричат фермиони.В класическите науки няма критерийидентичност на обектите. Експериментално обаче се наблюдава удивително сходство на атоми от един и същи вид. Като идентични частици могат да се разглеждат атоми от един и същи тип,електрони, фотони и др.
Идентични микрочастици, които могат да бъдат само в напълно симетрични състояниясе наричат бозони (в чест на индийския теоретичен физик Ш. Бозе). Бозоните имат цели спинове: sB=0; ±1ћ; ±2ћ. Идентични микрочастици, които могат да бъдат само в напълно антисиметрични състояниясе наричат фермиони (в чест на италианския теоретичен физик Енрико Ферми). Фермионите имат полуцели спинове: sФ=±1ћ/2; ±3ћ/2. Такова разделение на частиците на две групи е изразено за първи път от W. Pauli. Тази идея на Паули беше напълно потвърдена от експерименти.
За фермионите е валиденпринципът на изключване на Паули, според който вероятността за намиране на два фермиона в едно и също микросъстояние е нула. Този принцип се обяснява с ефективното намаляване на кинетичната енергия на система от два фермиона. Въпреки това, вероятността да се намерят два бозона в едно и също микросъстояние е два пъти по-висока от тази на две неидентични частици. Този факт се обяснява с ефективното нарастване на кинетичната енергия на два бозона поради неконтролирани външни въздействия.
Разликата в свойствата на системите от бозони и фермиони се проявява намакроскопично ниво. Например лазерните лъчи са комбинация от голям брой фотони, имащи еднакви микросъстояния. Високата плътност на фотоните води до факта, че те могат да бъдат описани в модел на непрекъсната среда, което води до класическа хармонична електромагнитна вълна. Това обаче не се наблюдава при електроните, т.к дори два електрона не могат да бъдат поставени в едно и също микросъстояние, следователно макроскопичните теласа взаимно непроницаеми, а електромагнитните вълни са взаимно пропускливи. От това следва, че веществата и полетата са отражение на свойствата на фермионите и бозоните на макро ниво.
Въпроси засамоконтрол
1. Какви частици са микрочастици?
2. Коя наука показва, че някои микрообекти не могат да бъдат смачкани?
3. За какво свидетелства неделимостта на минималния квант на действие?
4. Коя е най-важната характеристика на микродържавата?
5. Какво свидетелства за целостта на двуфотонното микросъстояние?
6. Кой и кога изложи хипотезата, че електронът има вътрешна характеристика?
7. През коя година Уленбек и Гаутсмит експериментално показват, че електронът има спин, т.е. ротационен момент?
8. Какви две стойности на въртене има един електрон?
9. Какво е спиновото квантово число?
10. Как се определя спинът на сложните частици?
11. По каква формула се определя собственият магнитен момент на електрона?
12. Какво са показали Стърн и Герлах чрез опит през 1921 г.?
13. Какви формули ви позволяват да определите минималната стойност на енергията, импулса и ъгловия момент, предавани от един обект на друг?
14. Какво е спиновото квантово число на фотона?
15. Какви величини характеризират самия фотон?
16. Какви величини характеризират състоянието на фотона?
17. Какви квантови числа характеризират вътрешното състояние на микрообект?
18. Кой пръв получи формулите за статистиката на разпределението на частиците, така наречените бозони?
19. Какъв е критерият за идентичност на частиците?
20. Как се наричат микрочастиците, които имат напълно симетрично състояние?
21. Как се наричат микрочастиците, които имат напълно антисиметрично състояние?
22. За кои частиципринципът на изключване на Павел е верен?
23. Какво е отражението на свойствата на фермионите и бозоните на макрониво?
Не намерихте това, което търсихте?Използвайте търсачката:
Деактивирайте adBlock! и обновете страницата (F5)наистина е необходимо