67479

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ С ВНЕШНИМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ. УРАВНЕНИЕ ПАУЛИ

Лекция

Физика

Вернемся к уравнению Клейна-Гордона - релятивистскому уравнению второго порядка, которому должна подчиняться любая волновая функция. Из него было ранее получено уравнение непрерывности

Русский

2014-09-10

250 KB

0 чел.

Л Е К Ц И Я  17

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ С ВНЕШНИМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

  УРАВНЕНИЕ ПАУЛИ

Будем искать оператор  в виде

 =а12 .

При коммутации с  его член c2 даст нуль, ибо антикоммутирует с  1 и 2, а значит, коммутирует с их произведением. Поэтому

 .

Используя перестановочные соотношения для j , найдем

 .

Сравнивая с нужным результатом, найдем а = , и потому

 12.

Учитываем явный вид матриц j :

 ,

а также то, что 12=i3 :

 .

Аналогично вычисляются :

 .

Оператор квадрата спина есть

 ,

так как 2j=1. Таким образом,

 .

С другой стороны, из перестановочных соотношений для операторов момента мы в свое время получали

 ,

где S-значение спинового момента. Сравнивая с 342, находим

 S = 2,

т.е. уравнение Дирака описывает частицы со спином 12 (электрон, позитрон, мюон, протон, нейтрон и т.д.). Для описания нейтрино, у которых тоже S= 12, уравнение Дирака нужно модифицировать, так как у них m = 0.

Вернемся к уравнению Клейна-Гордона - релятивистскому уравнению второго порядка, которому должна подчиняться любая волновая функция. Из него было ранее получено уравнение непрерывности

  + divj = 0,

где

  = {()-()},

причем величина не является положительно определенной и не может поэтому быть интерпретирована как плотность вероятности. Но, рассматривая уравнение Дирака, мы перешли от и j к е и je - величинам, описывающим плотность зарядов и токов. Это означает, что в релятивистских уравнениях нужно отказаться от точного описания одночастичных систем, а считать, что они описывают как-то системы многих частиц. Итак, делаем переходы

 

   e = e,     j  je  = ej

 

Так как e=const, то e и je также удовлетворяют уравнению непрерывности

 + divje = 0,

которое теперь выражает закон сохранения электрического заряда. Так как

  Е = р ,   р ,

то в любой релятивистской теории возникают решения с положительными и отрицательными энергиями

 

 +:  E = р ,     -: E = -р.

Им отвечают плотности заряда

 .

Рассмотрим нерелятивистский предел этих выражений. Так как удовлетворяют уравнению Клейна-Гордона, то для них

   E,        -  E

(см. самое начало релятивистских рассмотрений). Подстановка дает

 e = e.

Нерелятивистский предел-это 2<< 2c2, или рc2.

1. При Е=р получаем Е  c2, и

 е+ = е++.

 Это есть положительно определенная величина. При нормированной функции + интеграл от нее будет равен е, а значит е можно интерпретировать как плотность заряда одной частицы с q=e. В многочастичной системе е+ - это плотность зарядов, описываемых функцией +.

2. При Е = р получаем Е  c2 , и

 е- = -е.

Это есть плотность зарядов для частиц с q = е.

Таким образом, в нерелятивистском приближении решения УКГ с положительной и отрицательной энергиями задают плотность вероятности обнаружения частиц и античастиц, соответственно.

Найдем спин частиц, описываемых УКГ. Убедимся, что орбитальный момент для  этих частиц сохраняется, т.е. его оператор коммутирует с гамильтонианом. Этот оператор

 

в импульсном представлении записывается как

 ,

откуда, в частности,

 .

Записываем уравнение на собственные значения гамильтониана в импульсном представлении:

 

и рассматриваем коммутатор на его решениях:

 

Аналогично получаем, что

 - = 0.

Таким образом, оператор орбитального момента сохраняется, и его можно считать полным моментом. Поэтому УКГ описывает частицы с нулевым спином: S=0.

Примечание. Показано только для , но совершенно аналогично доказывается, что  тоже коммутируют с . Тем не менее, отсюда строго говоря, не следует, что S=0. Мы доказали только, что коммутирует с , и отсюда следует только то, что и  коммутирует с , так как в силу изотропии пространства  коммутирует с  всегда. Значит, по ходу дела совершено предположение, что =, но оно-то ниоткуда не следует. Тем не менее, все можно обосновать и абсолютно строго. Мы доказали только то, что УКГ может описывать частицы с S=0.

Так или иначе, принимаем, что УКГ описывает частицы с нулевым спином - например, пионы, каоны.

Вернемся вновь к уравнению Дирака и введем в рассмотрение взаимодействие частиц с внешним электромагнитным полем. Оно описывается 4-потенциалом

 А = А0,А1,А2,А3 = ,А,

и по общему правилу нужно от обычного 4-импульса перейти к обобщенному 4-импульсу

 p  p   А,

что в трехмерных обозначениях сводится к известным заменам

 Е  Е  е,     p  p  А.

В операторном виде

    ,,

и уравнение Дирака превращается в следующее:

 Aj) + c.

Желаем выяснить, во что переходит это полное уравнение Дирака в нерелятивистском пределе. Нас интересуют стационарные состояния, а потому ищем решения в виде

 (r,t) = .

Сама функция -4 - компонентный столбец, а записанные функции и - двухкомпонентные столбцы:

 

(см. выше). В искомой волновой функции Е+c2 - полная энергия, а  c2 - энергия покоя, значит Е-«просто» энергия, как раз и имеющая непосредственный релятивистский аналог. Подставляем написанное  в полное уравнение Дирака, и получаем

 (Е  еА0) = C (

 

  (Е + 2c2  еА0) = C (.

Пока все точно. Теперь рассматриваем нерелятивистское приближение, в котором Е <<c2, причем считаем поле слабым - в том смысле, что  еА0<<c2. Из второго уравнения системы выражаем через и делаем указанные приближения:

 .

Видим, что в нерелятивистском  пределе мала:   vc. Подставляем эту функцию в первое уравнение системы:

  (ЕеА0) = 12  (  )2.

Теперь начинаем преобразовывать с учетом того, что

 i2 = 1,      ij  = iijk    ( i  j).

Имеем

  ( )2 =

=

=

=

=

= (,H)

где H - напряженность магнитного поля. Переход к предпоследней строке осуществляется так:

 

=  

,

но второй член симметричен по индексам i и j, и его свертка с антисимметричным тензором ijk дает нуль. При переходе к последней строке учтено, что в тензорной символике ротор определяется так:

 (rota)k = ijk

После этих выкладок самое верхнее на странице уравнение можно переписать так:

  = E.

Это есть что-то вроде стационарного уравнения Шредингера для дираковской частицы со спином S=12 (электрона) в электромагнитном поле, причем в нерелятивистском приближении. Оно называется уравнением Паули. Слева стоит полный гамильтониан, содержащий три члена. Первый отвечает кинетической энергии частицы и взаимодействию ее орбитального момента с внешним магнитным полем. Второй член - энергия частицы в электрическом поле. Третий член следует интерпретировать как взаимодействие собственного (спинового) магнитного момента частицы с внешним магнитным полем. Имея в виду, что в электродинамике энергия взаимодействия магнитного момента с магнитным полем есть

  (H) ,

как раз и естественно отождествить величину

 

с собственным магнитным моментом. Тогда уравнение Паули запишется как

 =E.

Таким образом, у электрона есть некий врожденный магнитный момент, не зависящий от состояния его движения. Его можно записать как

,

где

 

есть магнетон Бора. Вспоминая, что оператор спина , найдем

,

а для орбитального движения

.

Отношение магнитного момента к механическому называется гиромагнитным отношением. Видим, что для спинового магнетизма он вдвое больше, чем для орбитального. Выбирая ось z вдоль поля, запишем для магнитной энергии

  (.

Так как Sz = , то вклад в энергию будет таким:

  0H = H.

Для электрона, позитрона и мюонов получается значение собственного момента очень хорошо согласующееся с опытом. Правда, отклонение все-таки есть, но оно составляет около 0,1% и полностью объясняется квантовой электродинамикой («аномальный» магнитный момент возникает за счет вакуумных поправок). При обсуждении свойств нуклонов вводится ядерный магнетон

.

Если бы протон и нейтрон описывались уравнением Дирака, то получалось бы

 р = я,         п =0.

Эксперимент же дает

 р  2,79я,     п -1,91я.

Эти расхождения происходят из-за того, что для нуклонов приближение свободных частиц неверно с самого начала: они участвуют в очень интенсивном сильном взаимодействии, которое следует как-то сразу учитывать. Так, из-за этого взаимодействия каждый «голый» нуклон оказывается окруженным пионной «шубой», которая и портит затравочные магнитные моменты. На самом деле это старая точка зрения. Все дело в том, что нуклоны состоят из кварков, у которых тоже есть магнитные моменты. Вот из них-то и складываются магнитные моменты протона и нейтрона, и здесь все получается более или менее хорошо. Для нуклонов можно использовать уравнение Паули, но в него нужно включать экспериментальные значения магнитных моментов (для электрона он получился!).

file:///web/5fan/public_html/www/files/13/5fan_ru_67479_735fed505f30b625ea774fb7b8cb8237.doc

- ? -


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33239. Второй закон Кирхгофа 13.06 KB
  В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех его участках
33240. Магни́тное по́ле 13.55 KB
  Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам обмоткам статора с током индуктированным полем статора в обмотках ротора в результате чего возникают механические усилия заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n1 .
33241. Электромагнит 13.3 KB
  Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке ток Регулирование скорости асинхронного двигателя Наиболее распространены следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя: изменение дополнительного сопротивления цепи ротора изменение напряжения подводимого к обмотке статора двигателя изменение частоты питающего напряжения а также переключение числа пар полюсов. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения...
33242. Закон полного тока 13.38 KB
  2Преимущества асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором следующие: приблизительно постоянная скорость при разных нагрузках; возможность кратковременных механических перегрузок; простота конструкции; простота пуска и легкость его автоматизации; более высокие соs j и к. чем у двигателей с фазным ротором. Практически асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором применяются в тех случаях когда не требуется регулирования скорости вращения двигателя. Преимущества асинхронных электродвигателей с фазным ротором: большой...
33243. Закон ома для магнитной цепи 12.92 KB
  Когда по катушке состоящей из до витков проходит ток I то он возбуждает магнитный поток Ф величина которого будет тем больше чем больше будет число ампервитков Iw. Произведение тока I на число витков w намагничивающая сила измеряется в амперах.
33244. Ферромагнитные материалы 13.25 KB
  Вращаясь вместе с ротором относительно статора поток в соответствии с законом электромагнитной индукции ЭМИ индуцирует в каждой фазе обмотки статора ЭДС . При замкнутой внешней цепи по обмоткам статора протекает ток нагрузки I который в свою очередь образует МДС статора . МДС создает магнитный поток реакции якоря и поток рассеяния аналогичный асинхронному двигателю который замыкается поперёк пазов статора и вокруг лобовых частей обмотки статора. Потоки и наводят в обмотке статора соответственно ЭДС и .
33245. Гистерезис 13.81 KB
  Электрические потери Рэл возникают в обмотках трансформатора и обусловлены их нагреванием при протекании по ним электрического тока. КПД трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на выходе первичной обмотки. КПД трансформатора зависит: 1 от конструкции трансформатора; 2 от степени загрузки трансформатора рис 4.9 Максимальный КПД будет у трансформатора с коэффициентом загрузки β = 045.
33246. Потенциал электростатического поля 13.32 KB
  Потенциал электростатического поля скалярная величина равная отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду: энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал численно равен работе поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность. Напряжение численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль силовых линий этого поля.
33247. Зако́н Куло́на 13.12 KB
  μετρεω измеряю измерительный прибор предназначенный для определения мощности электрического тока или электромагнитного сигнала. В цепях постоянного тока мощность измеряют электро или ферродинамическим ваттметром. Мощность может быть также подсчитана перемножением значений тока и напряжения измеренных амперметром и вольтметром. В цепях однофазного тока измерение мощности может быть осуществлено электродинамическим ферродинамическим или индукционным ваттметром.