В квантовой механике , А бозон ( / б oʊ с ɒ п / , [1] / б oʊ г ɒ п / [2] ) представляет собой частицу , которая следует статистике Бозе-Эйнштейна . Бозоны составляют один из двух классов элементарных частиц , другой - фермионы . [3] Название бозон было придумано Полем Дираком [4] [5] в ознаменование вклада Сатьендры Нат Боса , индийского физика и профессора физики вУниверситет Калькутты и Университет Дакки [6] [7] в разработке с Альбертом Эйнштейном статистики Бозе – Эйнштейна, которая теоретизирует характеристики элементарных частиц. [8]
Примеры бозонов являются элементарными частицами , таких как фотоны , глюоны , и W и Z бозоны (четыре силовых несущим калибровочных бозонов по стандартной модели ), недавно открытый хиггсовского бозон и гипотетический гравитон в квантовой гравитации . Некоторые составные частицы также являются бозонами, такими как мезоны и стабильные ядра с четным массовым числом, такие как дейтерий (с одним протоном и одним нейтроном, атомное массовое число = 2), гелий-4 и свинец-208 ; [а] а также некоторыеквазичастицы (например, куперовские пары , плазмоны и фононы ). [9] : 130
Важной характеристикой бозонов является отсутствие ограничений на их количество, находящееся в одном и том же квантовом состоянии . Примером этого свойства является гелий-4, когда он охлаждается до состояния сверхтекучести . [10] В отличие от бозонов, два идентичных фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии. В то время как элементарные частицы, составляющие материю (то есть лептоны и кварки ), являются фермионами, элементарные бозоны являются носителями силы, которые действуют как «клей», удерживающий материю вместе. [11] Это свойство выполняется для всех частиц с целым спином (s = 0, 1, 2 и т. Д.) Как следствие спин-статистической теоремы. Когда газ из бозе-частиц охлаждается до температур, очень близких к абсолютному нулю , кинетическая энергия частиц уменьшается до незначительной величины, и они конденсируются до состояния с самым низким уровнем энергии. Это состояние называется конденсатом Бозе – Эйнштейна . Это свойство также является объяснением сверхтекучести.
Типы [ править ]
Бозоны могут быть элементарными , как фотоны , или составными , как мезоны .
Хотя большинство бозонов являются составными частицами, в Стандартной модели физики элементарных частиц есть пять элементарных бозонов:
- Стандартная модель требует (по крайней мере) один бозона (спин = 0)
- ЧАС0 бозон Хиггса
- четыре векторных бозона (спин = 1), которые являются калибровочными бозонами для Стандартной модели :
- γ Фотон
- грамм Глюоны (восемь разных типов)
- Z Нейтральный слабый бозон
- W± Заряженные слабые бозоны (два типа)
Может быть шестой тензорный бозон (спин = 2), гравитон (G), который будет переносчиком силы для гравитации . Это остается гипотетической элементарной частицей, поскольку все попытки включить гравитацию в Стандартную модель потерпели неудачу. Если гравитон действительно существует, он должен быть бозоном и, возможно, может быть калибровочным бозоном. [b]
Составные бозоны, такие как атомы гелия-4 , важны для сверхтекучести и других приложений конденсатов Бозе – Эйнштейна .
Свойства [ править ]
Бозоны отличаются от фермионов, которые подчиняются статистике Ферми – Дирака . Два или более идентичных фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (см. Принцип исключения Паули ), и иногда их называют составными частями обычной «жесткой» материи. В отличие от них, экземпляры бозона не имеют квантово-механических препятствий для перехода в одно и то же состояние. Бозоны часто (хотя и не обязательно) являются частицами- носителями силы , включая составные бозоны, такие как мезоны. Также говорят, что носителями силы являются частицы, передающие взаимодействия, или составляющие излучения .
Статистика Бозе – Эйнштейна подразумевает, что при замене двух бозонов (одного вида) волновая функция системы не изменяется. [12] В квантовых полях бозонов являются бозоны поля , подчиняющееся канонических коммутационных соотношений .
Свойства лазеров и мазеров , сверхтекучий гелий-4 и конденсаты Бозе – Эйнштейна - все это следствия статистики бозонов. Другой результат состоит в том, что спектр фотонного газа в тепловом равновесии представляет собой планковский спектр , одним из примеров которого является излучение черного тела ; другой - тепловое излучение непрозрачной ранней Вселенной, которое сегодня воспринимается как микроволновое фоновое излучение . Взаимодействия между элементарными частицами называются фундаментальными взаимодействиями . Фундаментальные взаимодействия виртуальных бозонов с реальными частицами приводят к появлению всех известных нам сил .
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 нерелятивистской квантовой механики 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 проявляется только при больших плотностях - когда их волновые функции перекрываются. При низких плотностях оба типа статистики хорошо аппроксимируются статистикой Максвелла – Больцмана , которая описывается классической механикой .
Элементарные бозоны [ править ]
| Стандартная модель в физике элементарных частиц |
|---|
 |
Все наблюдаемые элементарные частицы являются либо фермионами, либо бозонами. Наблюдаемые элементарные бозоны - это все калибровочные бозоны : фотоны, W- и Z-бозоны , глюоны, за исключением бозона Хиггса, который является скалярным бозоном .
- Фотоны являются переносчиками силы электромагнитного поля .
- Бозоны W и Z являются переносчиками силы, которые опосредуют слабую силу .
- Глюоны - это фундаментальные носители силы, лежащие в основе сильного взаимодействия .
- Бозоны Хиггса придают массу W- и Z-бозонам (и другим частицам) через механизм Хиггса . Их существование было подтверждено ЦЕРН 14 марта 2013 года.
Наконец, многие подходы к квантовой гравитации постулируют переносчик силы гравитации, гравитон , который является бозоном со спином плюс-минус два.
Составные бозоны [ править ]
Составные частицы (такие как 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 атома углерода-12 , которое содержит 6 протонов и 6 нейтронов.
- Гелий-4 атом, состоящий из 2 протонов, нейтронов 2 и 2 электронов; Также атом трития , 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 [ править ]
Статистика Бозе – Эйнштейна побуждает идентичные бозоны собираться в одно квантовое состояние , но не любое состояние обязательно для этого удобно. Помимо статистики, бозоны могут взаимодействовать - например, атомы гелия-4 отталкиваются межмолекулярной силой при очень близком сближении, и если предположить их конденсацию в пространственно-локализованном состоянии, то статистические данные не могут преодолеть потенциал запретительной силы. . Пространственно-делокализованное состояние (то есть с низким | ψ ( x ) |) является предпочтительным: если числовая плотность конденсата примерно такая же, как в обычном жидком или твердом состоянии, то потенциал отталкивания дляКонденсат N -частиц в таком состоянии может быть не выше, чем для жидкости или кристаллической решетки тех же N частиц, описанных без квантовой статистики. Таким образом, статистика Бозе – Эйнштейна для материальной частицы не является механизмом для обхода физических ограничений на плотность соответствующего вещества, а сверхтекучий жидкий гелий имеет плотность, сравнимую с плотностью обычного жидкого вещества. Пространственно-делокализованные состояния также допускают малый импульс в соответствии с принципом неопределенности , следовательно, низкую кинетическую энергию ; поэтому сверхтекучесть и сверхпроводимость обычно наблюдаются в малыхтемпературы .
Фотоны не взаимодействуют между собой и, следовательно, не испытывают этой разницы в состояниях, в которых они собираются (см. Сжатое когерентное состояние ).
См. Также [ править ]
- Anyon - Тип частицы, которая встречается только в двумерных системах.
- Бозе-газ - состояние вещества многих бозонов
- Парастатистика - понятие в статистической механике
Заметки [ править ]
- ^ Нуклиды с четным массовым числом , которые составляют 153/254 = ~ 60% всех стабильных нуклидов, являются бозонами, то есть 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 1ЧАС, 6 3Ли,10 5B, 14 7N а также 180м 73Та). Все имеют ненулевое целочисленное вращение.
- ^ Несмотря на то, что гравитон является переносчиком гравитационной силы, которая взаимодействует с массой, ожидается, что у гравитона нет массы.
Ссылки [ править ]
- ^ Уэллс, Джон С. (1990). Словарь произношения Longman . Харлоу, Англия: Лонгман. ISBN 978-0582053830. запись "Бозон"
- ^ "бозон" . Словарь Коллинза .
- ^ 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. Примеры - фотоны, глюоны, гравитоны, слабые бозоны и бозон Хиггса. Спин бозона всегда целое число: 0, 1, 2 и так далее ...
- ^ Заметки о лекции Дирака События в атомной теории в Ле - Пале - де - ла Découverte, 6 декабря 1945 года . UKNATARCHI Dirac Papers. BW83 / 2/257889.
- ^ Farmelo, Graham (25 августа 2009). Самый странный человек: Скрытая жизнь Поля Дирака, Мистика атома . Основные книги. п. 331. ISBN. 9780465019922.
- ^ Daigle, Katy (10 июля 2012). «Индия: хватит о Хиггсе, давайте обсудим бозон» . Ассошиэйтед Пресс . Проверено 10 июля 2012 года .
- ^ Bal, Hartosh Сингх (19 сентября 2012). «Бозе в бозоне» . Блог New York Times . Архивировано из оригинального 22 сентября 2012 года . Проверено 21 сентября 2012 года .
- ^ «Бозон Хиггса: Поэзия субатомных частиц» . BBC News . 4 июля 2012 . Проверено 6 июля 2012 года .
- ↑ Пул, Чарльз П. младший (11 марта 2004 г.). Энциклопедический словарь физики конденсированного состояния . Академическая пресса. ISBN 978-0-08-054523-3.
- ^ "бозон". Онлайн-словарь Merriam-Webster . Проверено 21 марта 2010 года .
- ^ Кэрролл, Шон. «Объясни за 60 секунд: Бозоны» . Журнал Симметрия . Фермилаб / SLAC . Проверено 15 февраля 2013 года .
- ^ Средницки, Марк (2007). Квантовая теория поля . Издательство Кембриджского университета. С. 28–29. ISBN 978-0-521-86449-7.
- Перейти ↑ Sakurai, JJ (1994). Современная квантовая механика (перераб.). Эддисон-Уэсли . п. 362 . ISBN 978-0-201-53929-5.
| vтеЧастицы в физике | |||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Элементарный |
| ||||||||||||||||||||||||
| Композитный |
| ||||||||||||||||||||||||
| Квазичастицы |
| ||||||||||||||||||||||||
| Списки |
| ||||||||||||||||||||||||
| Связанный |
| ||||||||||||||||||||||||
 Физический портал | |||||||||||||||||||||||||
