Физика для абитуриента. Решение задач по физике.  Занимательная физика

Из чего все состоит

Каганов М.И.
Метод осколков

 ЭЛЕКТРОНЫ, ПРОТОНЫ, НЕЙТРОНЫ

ОТСТУПЛЕНИЕ О ГРАВИТАЦИИ

ВОЛНА ИЛИ ЧАСТИЦА? И ВОЛНА И ЧАСТИЦА!

САМЫЙ ПРОСТОЙ АТОМ

 ЯДРА И ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

MOMEНT КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ КВАНТОВАНИЕ

СПИН - СОБСТВЕННЫЙ МОМЕНТ КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ

НЕРАЗЛИЧИМОСТЬ И ПРИНЦИП ПАУЛИ

Понятие "взаимодействие", наверное, представляется довольно очевидным. Особенно, когда речь идет об атомных или субатомных частицах. Находящиеся на некотором расстоянии друг от друга частицы либо притягиваются одна к другой, либо одна от другой отталкиваются. Взаимодействие - следствие существования у частиц особого свойства, называемого зарядом. Раньше физики знали только электрические заряды - положительный и отрицательный. Углубление в микромир привело к открытию еще нескольких зарядов. В отличие от электрических они не играют роли при взаимодействии макроскопических тел.

Когда заряд равен нулю, то, казалось бы, взаимодействия нет. Но квантовая механика вносит свои коррективы. При равенстве соответствующего заряда нулю сила притяжения или отталкивания, обязанная ему, действительно равна нулю. Но взаимодействие все же есть. Оно проявляется в том, что состояние двух одинаковых частиц не есть произвольное состояние каждой из частиц. Состояние должно удовлетворять принципу неразличимости .

Квантовые частицы неразличимы в принципе. Это утверждение сильнее, чем утверждение о тождественности частиц в классической физике. В ньютоновской механике частица движется по определен ной траектории. За ней можно следить, ее не спутаешь с другой, даже если они тождественны. В квантовой механике у частицы нет определенной траектории. Возможны квантовые скачки, можно с определенной вероятностью обнаружить частицу на первый взгляд в неожиданном месте - непрерывно следить за ней невозможно. Описывая движение двух или нескольких квантовых частиц, нужно использовать условия, которые обеспечивают выполнение принципа неразличимости.

Свою неразличимость частицы проявляют по-разному. Как именно, зависит от их спина - целый он (в частности, нулевой) или полуцелый. Если частицы - бозоны, то есть имеют нулевой или целый спин, то функция, описывающая состояние двух частиц, при перестановке частиц местами вовсе не меняется. Если же частицы - фермионы с полуцелым спином, функция, описывающая состояние двух частиц, при перестановке частиц меняет знак. (В квантовой теории перемена частиц местами - чисто математическая процедура: в функции, описывающей их состояние, меняют местами аргументы, относящиеся к разным частицам). Это различие кардинально влияет на поведение совокупностей квантовых частиц - как принято говорить, на их статистику (см. таблицы 1 и 2, столбец "статистика").

О различии статистик можно сказать совсем кратко: любому количеству бозонов ничто не мешает скапливаться в одном состоянии. Именно это их свойство позволило получить "пятое состояние вещества" - так называемый бозе-эйнштейновский конденсат, когерентную материю, комок атомов в одном квантовом состоянии (см. "Наука и жизнь" № 1, 2002 г.). А число фермионов в каждом состоянии либо 0, либо 1. Третьего не дано! Для фермионов осуществляется запрет: две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же состоянии.

Этот запрет в 1924 году впервые сформулировал Вольфганг Паули (1900-1958). Запрет заслуженно называется принципом Паули.

Состояние электрона в любом атоме определяют четыре числа:

главное квантовое число n (n = 1,2,3…);

орбитальный момент количества движения l Ј (n - 1);

проекция момента на ось квантования lz (таких проекций 2l +1);

проекция спина на ось квантования (их две - либо +1/2, либо -1/2).

Принцип Паули запрещает электронам иметь четыре совпадающие характеристики. Этот запрет диктует закон, по которому построена электронная оболочка атома.
 


Продолжение следует
Занимательная физика.
Главная страница.
Вверх.

Rambler's Top100Rambler's Top100