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如何理解玻色子,如光子、粒子、氢原子等,它们具有整数自旋(0,1,……)

来源:学生作业帮 编辑:作业帮 分类:物理作业 时间:2024/05/10 17:50:08
如何理解玻色子,如光子、粒子、氢原子等,它们具有整数自旋(0,1,……)
如题,最好回答下:自旋是什么?是不是只有基本粒子才有自旋?把地球看成粒子的话自旋是多少?自旋如何算来的(说出需要哪些数据?它又衡量了什么?)
自旋不能理解为经典的机械旋转,否则无法理解一个粒子的自旋在任何方向的分量都一样.另外如果把粒子看做自转的小球,球边缘的线速度会明显超过光速.之所以叫一个粒子的“自旋”是因为自旋的发现是与原子束在磁场中的分裂有关的.粒子表现出磁矩(以前只注意到了电荷,没注意磁性),而这种磁矩就好像是粒子自转产生的一样.但各个分量都相同无法用经典物理概念套用.所以沿用“自旋”这个说法仅仅是表明粒子在某个方向上的磁矩等效于一个做经典意义上转动的粒子产生的磁矩,仅此而已.
非相对论量子力学中自旋是人为引进的额外假设.但在狄拉克的相对论量子力学中,自旋量子数可以从狄拉克方程中直接导出.这表明了自旋是一种相对论效应.狭义相对论当中那个质能方程指出静止物体有“静能量”,这其实是说,物质是有内部运动的,所谓“静止”物体内部存在复杂运动,如果全部转化为纯粹的能量是m*c2.
所以粒子自旋是粒子的一种属性,是它的内部运动的表现.但是我们对粒子内部运动知道的很少,只能利用粒子和外场的作用来表现出来,于是表现在理论上就是自旋这个自由度.
再问: 嗯~那么自旋值不同的粒子有什么不同?
再答: 自旋的单位是角动量量纲。自旋是粒子的固有运动,这种运动与外场可以发生作用,比如在磁场中,不同自旋的粒子磁矩就会不同。另外,粒子的平动(“轨道”运动)会与粒子的自旋运动相互影响,产生附加的能量。还有自旋是角动量,由于有的系统角动量守恒,因此粒子拥有的角动量会给系统的行为加以限制(比如光子角动量为0,因此原子辐射光子之后总的角动量不能变化,所以轨道角动量,自旋角动量的和不能变化,这就使得有的跃迁是不会发生的)。 自旋同时也区分了两种粒子。自旋量子数为整数的称为玻色子。自旋量子数为半奇数的称为费米子。两类粒子有明显差异。 费米子通俗的说就是构成“实体”的粒子。我们生活的环境中的原子由质子、中子、电子构成,他们都是费米子。之所以费米子构成凝聚的物体是因为费米子遵循“泡利不相容原理”。这一原理说:不可能有两个费米子处于一个系统的两个完全相同的量子态(通俗的说不能各种坐标完全相同,彻底重合在一起),这就使得粒子能保持一定间隔,形成体系。 而玻色子则没有这种限制任何量子态可以容纳任意多个玻色子(通俗说就是例子可以重叠)。玻色子是传播相互作用的载体,这是粒子物理学标准模型的解释,标准模型建立在量子场论的基础上。光子是传播电磁相互作用的载体。弱相互作用载体是W+ W- Z三个粒子,强相互作用由胶子传播。引力由引力子传播(引力子尚未发现)。规范场理论指出粒子之间通过发射吸收玻色子来完成相互作用。
再问: 先扯一下哈~身为一个高一学生~把这些都看懂的话,是不是对以后的物理会有较大的帮助?
再答: 对于高中生来说,科普一下就够了。我用了两个学期才学到量子力学的皮毛,而研究生阶段才会开设量子场论。目前被实验比较完善验证了的最先进理论就到量子场论了(包括它的分支理论)。之后的更加统一的理论目前属于探索阶段,虽然有完善的理论体系,但实验验证还不完善。跟你解释一些基本概念是让你对物理学有一个感性的了解,真正的理论是极其严格的。建立在严密的数学体系之上,背后有大量数学家论证过的定理作为支撑。 三百年前,一个顶尖物理学家可以掌握整个物理学的全貌,甚至包括实验。一百年前,只有爱因斯坦的理论研究触及到了理论物理的所有主要分支。也只有费米一人还能同时精通实验和理论。到了现代,能掌握一个细小分支的整体轮廓都是全球屈指可数的几个人了。所以年轻时多了解点概况,等到以后才能选择一个自己真正喜欢的方向,深入下去研究。而真的都读“”懂“”是几乎不可能的。
再问: 哦哦