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玻色子

2017-10-16
出处:族谱网
作者:阿族小谱
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定义与性质在无限深方形阱里,两个全同玻色子的对称波函数绘图。玻色子定义为遵守玻色-爱因斯坦统计的粒子;根据玻色-爱因斯坦统计,对于N个全同玻色子,假设将其中任意两个玻色子交换,则由于描述这量子系统的波函数具有对称性,波函数不会改变。费米子遵守费米狄拉克统计;根据费米狄拉克统计,对于N个全同费米子,假设将其中任意两个费米子交换,则由于描述这量子系统的波函数具有反对称性,波函数的正负号会改变。由于这特性,费米子遵守包利不相容原理:两个全同费米子不能占有同样的量子态。因此,物质具有有限体积与硬度。费米子被称为物质的组成成分。所有已知基本或复合粒子,依照自旋而定,自旋为整数的粒子是玻色子,自旋为半整数的粒子是费米子。在非相对论性量子力学里,这纯为经验观察;但在相对论性量子场论里,自旋统计定理表明,半整数的粒子不能成为玻色子,整数的粒子不能成为费米子。激光、激微波、超流体、玻色-爱因斯坦凝聚的基础物...

定义与性质

玻色子

  在无限深方形阱里,两个全同玻色子的对称波函数绘图。

玻色子定义为遵守玻色-爱因斯坦统计的粒子;根据玻色-爱因斯坦统计,对于N个全同玻色子,假设将其中任意两个玻色子交换,则由于描述这量子系统的波函数具有对称性,波函数不会改变。 费米子遵守费米狄拉克统计;根据费米狄拉克统计,对于N个全同费米子,假设将其中任意两个费米子交换,则由于描述这量子系统的波函数具有反对称性,波函数的正负号会改变。 由于这特性,费米子遵守包利不相容原理:两个全同费米子不能占有同样的量子态。因此,物质具有有限体积与硬度。费米子被称为物质的组成成分。

所有已知基本或复合粒子,依照自旋而定,自旋为整数的粒子是玻色子,自旋为半整数的粒子是费米子。在非相对论性量子力学里,这纯为经验观察;但在相对论性量子场论里,自旋统计定理表明,半整数的粒子不能成为玻色子,整数的粒子不能成为费米子。

激光、激微波、超流体、玻色-爱因斯坦凝聚的基础物理机制为玻色子所遵守的玻色-爱因斯坦统计。另外一个结果是处于热力学平衡的光子气体,其光谱是普朗克谱,例如,黑体辐射、现今称为微波背景辐射的不透明早期宇宙的热辐射。虚玻色子与真实粒子之间的相互作用造成了所有已知的作用力,除了引力已外。

在大型系统里,只当在粒子密度很大时,也就是说,当它们的波函数重叠时,玻色子统计与费米子统计才会显示出来;在密度很小时,两种统计都可以用经典力学的麦克斯韦-玻尔兹曼统计作良好近似。

基本玻色子

所有观测到的基本粒子,不是费米子,就是玻色子。所有观测到的基本玻色子都是规范玻色子:光子、W玻色子、Z玻色子、胶子、希格斯玻色子。

胶子-强相互作用的媒介粒子,自旋为1,有8种。

光子-电磁相互作用的媒介粒子,自旋为1,只有1种。

W及Z玻色子-弱相互作用的媒介粒子,自旋为1,有3种。

希格斯玻色子- 通过希格斯机制将质量给予其它粒子,自旋为0,目前只发现1种。

引力子-引力相互作用的媒介粒子,自旋为2,只有1种,尚未被发现。

复合玻色子

复合粒子是由几个粒子组成,例如,强子、原子核、原子等等。依照组成粒子的自旋,复合粒子可以是玻色子或费米子。更精确地说,由于自旋与统计之间的关系,由偶数个费米子组成的粒子是玻色子,因为它的自旋为整数。

介子是玻色子,它是由一个夸克与一个对应的反夸克组成的强子。

由偶数个核子组成的原子核是玻色子。质子和中子都是费米子,含偶数个核子的原子核具有整数自旋,例如,碳-12有六个质子、六个中子。

氦-4有两个质子、两个中子、两个电子,是复合玻色子。

玻色子的量子态

玻色-爱因斯坦统计鼓励全同玻色子挤入同一个量子态,但并不是任意量子态都必需很方便地被挤入。除了统计机制以外,玻色子可以彼此相互作用,例如,几个非常邻近的氦-4原子会彼此感受到分子间力,假设它们的凝聚处于某种空间定域的量子态,由于从统计获得的助益 不能克服太过高昂的位势,它们喜好处于一种空间离域的量子态(较低的|ψ ( x )|):假若凝聚的数目密度与普通液体或固体大致相同,则拿量子统计所描述的凝聚与普通统计所描述的液体或晶体晶格作比较,凝聚的相斥位势不能高于后者的相斥位势。所以,玻色-爱因斯坦统计不能够绕过对于物质的密度所施加的物理限制。因此,超流体液氦的密度与普通液体物质相当。根据不确定性原理,空间离域的量子态具有较低的动量,因此动能也较低,这就是为什么通常在低温才能观察到超流体性质与超导性质。

光子彼此之间不会相互作用,因此不会经历到这种挤入量子态的不同。

参阅

任意子

玻色气体

全同粒子

仲统计法(parastatistics)


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