28169

Принцип тождественности неразличимых микрочастиц. Бозоны и фермионы. Проблема гелия

Доклад

Физика

Проблема гелия В основе исследования сложных атомов как и атома водорода также лежит уравнение Шредингера решением которого является функция состояния атома. Однако теперь функция состояния зависит от пространственных координат всех электронов атома и от времени. Для получения правильной функции состояния системы электронов необходимо учитывать принцип тождественности неразличимых частиц. Суть это принципа состоит в следующем: В силу неразличимости частиц состояния системы получающиеся друг из друга перестановкой обеих частиц должны быть...

Русский

2013-08-20

145.5 KB

7 чел.

69  Принцип тождественности неразличимых микрочастиц. Бозоны и фермионы. Проблема гелия

В основе исследования сложных атомов, как и атома водорода, также лежит уравнение Шредингера, решением которого является функция состояния атома. Однако теперь функция состояния зависит от пространственных координат всех электронов атома и от времени. Для получения правильной функции состояния системы электронов необходимо учитывать принцип  тождественности неразличимых частиц. Суть это принципа состоит в следующем: В силу неразличимости частиц состояния системы, получающиеся друг из друга перестановкой обеих частиц, должны быть физически эквивалентны (экспериментально неразличимы).

Рассмотрим систему двух произвольных одинаковых частиц. Функция ее состояний  зависит от совокупности пространственных координат  и  обеих частиц. Из принципа тождественности следует, что распределение плотности вероятности для рассматриваемой системы не изменяется при перестановке частиц, т.е. должно выполняться равенство

,

из чего следует, что функция состояния системы может быть либо симметричной относительно перестановки частиц

                                               (1)

либо антисимметричной 

.                                              (2)

Аналогичным образом можно ввести понятия о симметричных и антисимметричных функциях состояния для систем, состоящих более чем из двух частиц.

Свойство симметрии функции состояния системы одинаковых частиц может зависеть только от природы самих частиц. И действительно, симметрия -функции определяется только спином частицы. Если спин частицы целочисленный (0, 1, 2 …), то -функция системы частиц будет симметричной; если спин частицы полуцелый (1/2, 3/2 …), то -функция системы частиц будет антисимметричной. Эти утверждения составляют содержание теоремы Паули.

Частицы, обладающие целочисленным спином, подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и называются бозонами, а частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака и называются фермионами. Следовательно, состояния системы из одинаковых бозонов описываются симметричными -функциями, а состояния системы из одинаковых фермионов ‒ антисимметричной -функцией. Примерами фермионов являются электроны, протоны, нейтроны, атомы дейтерия , ионы гелия ; примерами бозонов являются атомы водорода , атомы гелия , -мезоны, фотоны.

Электроны () являются фермионами. Поэтому как обобщение экспериментальных фактов для них постулируется положение: системы электронов встречаются в природе только в состояниях, описываемых антисимметричными волновыми функциями. Это положение называют принципом Паули, или принципом исключения. В соответствии с этим утверждением в определенном квантовом состоянии в атоме может находиться не более одного электрона.

На состояния бозонов принцип симметрии собственных функций не налагает никаких ограничений, аналогичных запрету Паули. В одном и том же состоянии может находиться любое число одинаковых бозонов.

Простейшим атомом с двумя эквивалентными электронами является атом гелия. Учтем принцип тождественности и построим антисимметричные собственные функции системы двух электронов с учетом их спинового движения.

,                                                      (3)

.                                                     (4)

Запишем функции состояния орбитального движения в нулевом приближении:

=,                                            (5)

=,                                            (6)

где  - одноэлектронные функции состояния, известные из решения задачи о водородоподобной системе.

Рассмотрим спиновые состояния системы двух электронов Так как проекция спинового момента электрона может быть равна , то возможны одноэлектронные спиновые функции  и . Тогда для системы двух электронов возможны следующие сочетания1:

   []

   []

  []

   []

Из этих функций можно составить четыре комбинации, удовлетворяющие свойствам симметрии относительно перестановки электронов:

;

 + ;

;                                                                                                                  (7)

 - .

Комбинируя функции (7) с функциями (5) и (6), можно получить следующие четыре сочетания функций, удовлетворяющие условию асимметрии (3) и (4):

   ,       ,        ,   

Первые три функции определяют состояние с полным спином  (его проекциям соответствуют = 1, 0, -1) и образуют одну группу состояний, характеризуемую спином  (мультиплетность ӕ=2s+1=3), - триплетный терм. При этом волновые функции  описывают ортосостояния атома гелия. Последней функции соответствует состояние с полным спином (ӕ=1), то есть синглетный терм, и волновые функции  описывают его парасостояние.

Триплетный терм (S=1, ӕ=3)

Ea<Es

ортосостояния

Синглетный терм (S=0, ӕ=1) 

Es>Ea

парасостояния

По причине запрета Паули основное состояние атома гелия является синглетным (парасостоянием). Каждой возбужденной конфигурации атома гелия соответствует как синглетное, т.е. парасостояние, так и триплетное, т.е. ортосостояние. В результате квантовомеханического расчета показано, энергия ортосостояния Еа меньше, чем энергия соответствующего парасостояния Еs.

Поскольку правилом отбора  запрещены переходами между состояниями различной мультиплетности, в спектрах атомов гелия наблюдаются синглет-синглетные переходы, образующие так называемый спектр парагелия, и триплет-триплетные переходы, образующие так называемый спектр ортогелия.

1 Стрелками в квадратных скобках указана взаимная ориентация спинов обоих электронов. Стрелка, направленная вверх, соответствует спину , стрелка, направленная вниз, – спину (-).

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82857. Часи дієслова 185 KB
  Актуалізувати знання учнів про дієслово навчитися визначати часи дієслова засвоїти українські терміни. Давайте подивимось як сумно стало Вовченяті без Капітошки та під час перегляду знайдемо дієслова і запишемо їх у зошит Діти дивляться уривок із мультфільму Капітошка та знаходять дієслова...
82858. Прислівник як частина мови 74 KB
  Мета: ознайомити учнів з новою частиною мови прислівником його граматичними ознаками; формувати вміння знаходити прислівники у тексті; розвивати звязне мовлення вміння аналізувати і порівнювати мовні явища; виховувати бажання активно працювати на уроці.
82859. Прикметники – синоніми, прикметники – антоніми. Пряме й переносне значення прикметників 237.5 KB
  Мета: ознайомити учнів з прикметниками із синонімічними та антонімічними значеннями; вчити вживати прикметники в прямому та переносному значеннях, розкривати багатозначність; розвивати вміння добирати та використовувати прикметники – синоніми та антоніми у мовленні...
82860. Які бувають рослини 39 KB
  Ці рослини кольорові Запашні такі чудові. На скільки груп розподілено рослини Назвіть рослини першої групи другої третьої Як можна назвати одним словом березу дуб тополю клен Як можна одним словом назвати смородину калину бузок малину Чим відрізняються кущі від дерев...
82861. Что за прелесть эти сказки! Учимся сочинять сказку 68 KB
  Цели: Обучающие: Учить различать виды русских народных сказок Формировать представление о традиционных началах и концовках как неотъемлемой части художественного построения волшебной сказки. Сформировать представление о таком характерном приеме в построении сказки как троекратные повторы...
82862. Незвичайна яблуня. А.М’ястківський «Казка про яблуню». В.Коломієць «Не лови метелика» 71 KB
  Мета: удосконалювати навички усвідомленого, виразного читання художніх творів; навчати правильно оцінювати вчинки дійових осіб; формувати вміння знаходити за допомогою вибіркового читання уривки тексту, які характеризують дійових осіб; збагачувати словниковий запас учнів...
82863. Урок-путешествие. Дорогою добра 49.5 KB
  Цель: формировать представление о добре о доброте о способах их проявления; развивать умение анализировать сравнивать делать выводы; воспитывать стремление совершать добрые поступки. Оборудование: проектор компьютер слайд-презентация звукозапись песни раздаточный материал выставка книг.
82864. Творчість генія українського народу – Т. Г. Шевченка 81 KB
  Мета. Розширити знання учнів про життя і творчість генія українського народу – Т. Г. Шевченка, про його прагнення допомагати пригнобленим; викликати гордість за талановитих дітей з простолюду, за їхнє бажання вчитися, служити своєму народу.
82865. О. Донченко «Лісовою стежкою» 1.14 MB
  Мета. Познайомити з оповіданням О. Донченка «Лісовою стежкою»; розвивати вміння знаходити в текстах описи, роздуми; формувати уміння аналізувати, узагальнювати, характеризувати головну героїню з опорою на текст і малюнок, складати словесний портрет, удосконалювати вміння складати план і переказувати прочитане...