Е) Квантова статистика

Одночасно з розвитком хвильової та квантової механіки розвивалася інша складова частина квантової теорії – квантова статистика або статистична фізика квантових систем, що складаються з великого числа частинок. На основі класичних законів руху окремих частинок була створена теорія поведінки їх сукупності - класична статистика. Аналогічно цьому на основі квантових законів руху частинок була створена квантова статистика, що описує поведінку макрооб'єктів у випадках коли закони класичної механіки не застосовні для опису руху мікрочастинок, що складають систему - в даному випадку квантові властивості проявляються у властивостях макрооб'єктів. Важливо мати на увазі, що під системою в даному випадку розуміються лише частинки, що взаємодіють один з одним. Квантова система при цьому не може розглядатися як сукупність частинок, що зберігають свою індивідуальність. Іншими словами, квантова статистика вимагає відмови від подання розрізнення частинок - це отримало назву принципу тотожності. В атомній фізиці дві частинки однієї природи вважалися тотожними. Однак ця тотожність не визнавалася абсолютною. Так, дві частинки однієї природи можна було розрізняти хоча б подумки.

У квантовій статистиці можливість розрізнити дві частинки однакової природи повністю відсутня. Квантова статистика виходить з того, що два стани системи, які відрізняються один від одного лише перестановкою двох частинок однакової природи, тотожні і невиразні. Таким чином, основне положення квантової статистики - принцип тотожності однакових частинок, що входять в квантову систему. Цим квантові системи відрізняються від класичних систем.

У взаємодії мікрочастинки важлива роль належить спіну - власному моменту кількості руху мікрочастинки. (У 1925 р. Д. Уленбеком і С. Гаудсмитом вперше було відкрито існування спіна у електрона). Спін електронів, протонів, нейтронів, нейтрино і ін частинок виражається напівцілою величиною, у фотонів та пі-мезонів - целочисленной величиною (1 або 0). У залежності від спіна мікрочастинка підпорядковується одному з двох різних типів статистики. Системи тотожних частинок з цілим спіном (бозони) підпорядковуються квантової статистики Бозе-Ейнштейна, характерною особливістю якої є те, що в кожному квантовому стані може знаходитися довільне число частинок. Даний тип статистики було запропоновано в 1924 р. Ш. Бозе і потім удосконалено Ейнштейном). У 1925 р. для частинок з напівцілим спіном (ферміонів) Е. Фермі і П. Дірак (незалежно один від одного) запропонували інший тип квантової статики, що отримав ім'я Фермі-Дірака. Характерною особливістю цього типу статики є те, що в кожному квантовому стані не може знаходитися довільне число частинок. Це вимога називається принципом заборони В. Паулі, який був відкритий в 1925 р. Статистика першого типу підтверджується при дослідженні таких об'єктів, як абсолютно чорне тіло, другого типу - електронний газ в металах, нуклони в атомних ядрах і т.д.

Принцип Паулі дозволив пояснити закономірності заповнення електронами оболонок в багатоелектронних атомах, дати обгрунтування періодичній системі елементів Менделєєва. Цей принцип, висловлює специфічна властивість частинок, які йому підпорядковуються. І зараз важко зрозуміти, чому дві тотожні частинки взаємно забороняють один одному займати один і те ж стан. Подібного типу взаємодії в класичній механіці не існує. Яка його фізична природа, які фізичні джерела заборони - проблема, що чекає розвязку. Сьогодні ясно одне: фізична інтерпретація принципу заборони в рамках класичної фізики неможлива.

Поиск по сайту: