Бозон - Boson

Для использования в других целях см. Бозон (значения).
Как бозоны сочетаются с другими классами субатомные частицы, адроны и фермионы.

В квантовая механика, а бозон (/ˈбoʊsɒп/,[1] /ˈбoʊzɒп/[2]) - частица, которая следует за Статистика Бозе – Эйнштейна. Бозоны составляют один из двух классов элементарные частицы, другое существо фермионы.[3] Название бозон было придумано Поль Дирак[4][5] отметить вклад Сатьендра Нат Бос, индийский физик и профессор физики в Калькуттский университет и в Университет Дакки[6][7] в разработке, с Альберт Эйнштейн, Статистика Бозе – Эйнштейна, теоретизирующая характеристики элементарных частиц.[8]

Примеры бозонов: элементарные частицы Такие как фотоны, глюоны, и W- и Z-бозоны (четыре силовых калибровочные бозоны из Стандартная модель ), недавно обнаруженный бозон Хиггса, а гипотетический гравитон из квантовая гравитация. Некоторые составные частицы также являются бозонами, например мезоны и стабильные ядра даже массовое число Такие как дейтерий (с одним протоном и одним нейтроном, атомное массовое число = 2), гелий-4, и свинец-208;[а] а также некоторые квазичастицы (например. Куперовские пары, плазмоны, и фононы ).[9]:130

Важной характеристикой бозонов является отсутствие ограничений на их количество, занимающее одну и ту же квантовое состояние. Примером этого свойства является гелий-4, когда он охлаждается до состояния сверхтекучий.[10] В отличие от бозонов два одинаковых фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии. В то время как элементарные частицы, составляющие материю (т.е. лептоны и кварки ) являются фермионами, элементарные бозоны - носители силы, которые действуют как «клей», скрепляющий материю.[11] Это свойство сохраняется для всех частиц с целым числом вращение (s = 0, 1, 2 и т. д.) как следствие спин-статистическая теорема.При охлаждении газа бозе-частиц до температур, очень близких к абсолютный ноль, то кинетическая энергия частиц уменьшается до незначительного количества, и они конденсируются в состояние с самым низким уровнем энергии. Это состояние называется Конденсат Бозе – Эйнштейна. Это свойство также является объяснением сверхтекучести.

Типы

Бозоны могут быть либо элементарный, подобно фотоны, или же составной, подобно мезоны.

Хотя большинство бозонов представляют собой составные частицы, в Стандартная модель физики элементарных частиц Есть пять элементарных бозонов:


ЧАС0
 бозон Хиггса

γ
   Фотон

грамм
   Глюоны (восемь разных типов)

Z
   Нейтральный слабый бозон

W±
   Заряженные слабые бозоны (Два типа)

Может быть шестой тензорный бозон (spin = 2), гравитон (G), это был бы носитель силы для сила тяжести. Это остается гипотетической элементарной частицей, поскольку до сих пор все попытки включить гравитация в Стандартную модель не удалось. Если гравитон действительно существует, он должен быть бозоном и, возможно, может быть калибровочным бозоном.[b]

Составные бозоны, такие как гелий-4 атомы важны в сверхтекучесть и другие приложения Конденсаты Бозе – Эйнштейна.

Характеристики

Симметричная волновая функция для (бозонного) двухчастичного состояния в потенциале с бесконечной квадратной ямой.

Бозоны отличаются от фермионов, которые подчиняются Статистика Ферми – Дирака. Два или более одинаковых фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии (см. Принцип исключения Паули ), и их иногда называют составными частями обычной «твердой» материи. В отличие от тех, экземпляры бозона не имеют квантово-механических препятствий для перехода в одно и то же состояние. Бозоны часто (хотя и не обязательно) носитель силы частицы, включая составные бозоны, такие как мезоны. Также говорят, что носителями силы являются частицы, передающие взаимодействия, или составляющие радиация.

Статистика Бозе – Эйнштейна подразумевает, что при замене двух бозонов (одного вида) волновая функция системы без изменений.[12] В квантовые поля бозонов бозонные поля, подчиняясь канонические коммутационные соотношения.

Свойства лазеры и мазеры, сверхтекучий гелий-4 и конденсаты Бозе – Эйнштейна - все следствия статистики бозонов. Другой результат состоит в том, что спектр фотонного газа в тепловом равновесии представляет собой Планковский спектр, одним из примеров которых является черное тело радиация; другой - тепловое излучение непрозрачной ранней Вселенной, которое сегодня выглядит как микроволновое фоновое излучение. Взаимодействия между элементарными частицами называются фундаментальные взаимодействия. Фундаментальные взаимодействия виртуальный бозоны с реальными частицами приводят ко всем силы мы знаем.

Все известные элементарные и составные частицы являются бозонами или фермионами, в зависимости от их спина: частицы с полуцелым спином являются фермионами; частицы с целым спином являются бозонами. В рамках нерелятивистского квантовая механика, это чисто эмпирическое наблюдение. В релятивистской квантовой теории поля спин-статистическая теорема показывает, что частицы с полуцелым спином не могут быть бозонами, а частицы с целым спином не могут быть фермионами.[13]

В больших системах разница между бозонной и фермионной статистикой очевидна только при больших плотностях - когда их волновые функции перекрываются. При низких плотностях оба типа статистики хорошо аппроксимируются Статистика Максвелла – Больцмана, который описывается классическая механика.

Элементарные бозоны

Стандартная модель из физика элементарных частиц
Стандартная модель элементарных частиц.svg
Смотрите также: Список частиц § Бозоны

Все наблюдаемые элементарные частицы являются либо фермионами, либо бозонами. Все наблюдаемые элементарные бозоны калибровочные бозоны: фотоны, W- и Z-бозоны, глюоны, кроме бозон Хиггса который является скалярный бозон.

Наконец, многие подходы к квантовой гравитации постулируют переносчик силы гравитации, гравитон, который является бозоном со спином плюс-минус два.

Составные бозоны

Смотрите также: Список частиц § Составные частицы

Композитные частицы (например, адроны, ядра, и атомы ) могут быть бозонами или фермионами в зависимости от их составляющих. Точнее, из-за связи между спином и статистикой частица, содержащая четное число фермионов, является бозоном, поскольку имеет целочисленный спин.

Примеры включают следующее:

  • Любой мезон, поскольку мезоны содержат один кварк и один антикварк.
  • Ядро углерод-12 атом, который содержит 6 протонов и 6 нейтронов.
  • В гелий-4 атом, состоящий из 2 протонов, 2 нейтронов и 2 электронов; Так же тритий атом, состоящий из 1 протона, 2 нейтронов и 1 электрона.
  • Ядро дейтерия, известное как дейтрон, и его античастица.

Количество бозонов в составной частице, состоящей из простых частиц, связанных с потенциалом, не влияет на то, является ли она бозоном или фермионом.

Квантовые состояния

Статистика Бозе – Эйнштейна побуждает идентичные бозоны объединяться в один квантовое состояние, но не любое состояние обязательно для него удобно. Помимо статистики, бозоны могут взаимодействовать - например, атомы гелия-4 отталкиваются межмолекулярная сила при очень близком подходе, и если предположить их конденсацию в пространственно-локализованный состояния, то статистические данные не могут преодолеть запретительно силовой потенциал. Пространственно-делокализованное состояние (т.е. с низким |ψ(Икс)|) предпочтительнее: если числовая плотность конденсата примерно такой же, как в обычном жидком или твердом состоянии, то потенциал отталкивания для N-частичный конденсат в таком состоянии может быть не выше, чем для жидкости или кристаллической решетки той же N частицы описываются без квантовой статистики. Таким образом, статистика Бозе – Эйнштейна для материальной частицы не является механизмом, позволяющим обойти физические ограничения на плотность соответствующего вещества, а сверхтекучая жидкий гелий имеет плотность, сравнимую с плотностью обычных жидкость иметь значение. Пространственно-делокализованные состояния также допускают низкую импульс согласно принцип неопределенности, следовательно, для низких кинетическая энергия; вот почему сверхтекучесть и сверхпроводимость обычно наблюдаются в низком температуры.

Фотоны не взаимодействуют сами с собой и, следовательно, не испытывают этой разницы в состояниях, где собираются (см. сжатое когерентное состояние ).

Смотрите также

  • Аньон - Тип частицы, которая встречается только в двумерных системах
  • Бозе-газ - Состояние вещества многих бозонов
  • Парастатистика - Понятие в статистической механике

Примечания

  1. ^ Нуклиды с четным массовым числом, которые составляют 153/254 = ~ 60% всех стабильных нуклидов, являются бозонами, т.е. имеют целочисленный спин. Почти все (148 из 153) являются нуклидами с четными протонами и нейтронами (EE), которые обязательно имеют спин 0 из-за спаривания. Остальные 5 стабильных бозонных нуклидов представляют собой стабильные нуклиды с нечетными протонами и нечетными нейтронами (см. четные и нечетные атомные ядра # Нечетный протон, нечетный нейтрон ); эти нечетно-нечетные бозоны: 2
    1    ЧАС
    , 6
    3    Ли
    ,10
    5    B
    , 14
    7    N
     и 180 м
    73    Та
     ). Все имеют ненулевое целочисленное вращение.
  2. ^ Несмотря на то, что гравитон является переносчиком гравитационной силы, которая взаимодействует с массой, ожидается, что он не имеет массы.

Рекомендации

  1. ^ Уэллс, Джон С. (1990). Словарь произношения longman. Харлоу, Англия: Лонгман. ISBN  978-0582053830. запись "Бозон"
  2. ^ "бозон". Словарь Коллинза.
  3. ^ Кэрролл, Шон (2007). Путеводитель. Темная материя, темная энергия: темная сторона вселенной. Обучающая компания. Часть 2, с. 43. ISBN  978-1598033502. ... бозон: частица, несущая силу, в отличие от частицы материи (фермиона). Бозоны можно без ограничений накладывать друг на друга. Примерами являются фотоны, глюоны, гравитоны, слабые бозоны и бозон Хиггса. Спин бозона всегда целое число: 0, 1, 2 и так далее ...
  4. ^ Заметки к лекции Дирака Развитие атомной теории в Le Palais de la Découverte, 6 декабря 1945 г.. UKNATARCHI Dirac Papers. BW83 / 2/257889.
  5. ^ Фармело, Грэм (25 августа 2009 г.). Самый странный человек: Тайная жизнь Поля Дирака, Мистика атома. Основные книги. п. 331. ISBN  9780465019922.
  6. ^ Дейгл, Кэти (10 июля 2012 г.). «Индия: хватит о Хиггсе, давайте обсудим бозон». Ассошиэйтед Пресс. Получено 10 июля 2012.
  7. ^ Бал, Хартош Сингх (19 сентября 2012 г.). "Бозе в бозоне". Нью-Йорк Таймс блог. Архивировано из оригинал 22 сентября 2012 г.. Получено 21 сентября 2012.
  8. ^ «Бозон Хиггса: поэзия субатомных частиц». Новости BBC. 4 июля 2012 г.. Получено 6 июля 2012.
  9. ^ Пул, Чарльз П. младший (11 марта 2004 г.). Энциклопедический словарь по физике конденсированного состояния. Академическая пресса. ISBN  978-0-08-054523-3.
  10. ^ «бозон». Онлайн-словарь Merriam-Webster. Получено 21 марта 2010.
  11. ^ Кэрролл, Шон. «Объясни за 60 секунд: бозоны». Журнал Симметрия. Фермилаб /SLAC. Получено 15 февраля 2013.
  12. ^ Средницки, Марк (2007). Квантовая теория поля. Издательство Кембриджского университета. С. 28–29. ISBN  978-0-521-86449-7.
  13. ^ Сакураи, Дж. Дж. (1994). Современная квантовая механика (Пересмотренная ред.). Эддисон-Уэсли. п.362. ISBN  978-0-201-53929-5.