Formation, Videnskab
Dirac konklusioner. Dirac ligningen. Kvantefeltteori
Denne artikel fokuserer på arbejdet i Paul Dirac ligningen, som i høj grad beriget kvantemekanikken. Den beskriver de grundlæggende begreber, der er nødvendige for at forstå den fysiske betydning af ligningen, samt metoder til dens anvendelse.
Videnskab og forskere
Personen er ikke forbundet med videnskab, det er den viden produktionsprocessen i nogle magisk virkning. Forskerne, i udtalelsen fra mennesker - det håndsving, der taler et mærkeligt sprog og lidt arrogant. Kom godt bekendt med forskeren, langt fra videnskab mand, når han sagde, at han ikke forstod fysikken i skole. Således manden på gaden er indhegnet fra videnskabelig viden, og anmodninger mere veluddannede samtalepartner til at tale lettere og mere intuitivt. Sikkert Paul Dirac ligningen vi overvejer, hilste så godt.
elementarpartikler
Strukturen i sagen er altid glade nysgerrige sind. I det gamle Grækenland, har folk bemærket, at marmortrappe, der fandt en masse ben, ændre form over tid, og som er blevet foreslået: hver fod eller sandal bærer med sig en lille smule af stof. Disse elementer har besluttet at kalde "atomer", der er "udelelig". Navn forbliver, men det viste sig, at atomerne, og partiklerne, der udgør atomer - den samme forbindelse, kompleks. Disse partikler kaldes elementære. Det er dedikeret til det arbejde, de Dirac ligningen som tillod ikke blot at forklare spin af en elektron, men også foreslå tilstedeværelsen af antielectron.
Partikel-bølge dualitet
Udviklingen af teknologi billeder i slutningen af det nittende århundrede, medførte ikke blot mode af prægning selv, mad og katte, men også fremmet mulighederne for videnskaben. Efter at have modtaget en sådan praktisk værktøj som en hurtig billede (recall tidligere eksponering nået omkring 30-40 minutter), forskerne begyndte i massevis til at fastsætte en række spektre.
Eksisterende dengang teori af strukturen af stoffer kunne ikke klart forklare eller forudsige spektre af komplekse molekyler. Først, den berømte eksperiment af Rutherford viste, at atomet ikke er så udelelig: hans hjerte var tungt positiv kerne rundt, som giver nem negative elektroner. Så opdagelsen af radioaktivitet bevist, at kernen er ikke en monolit, og består af protoner og neutroner. Og så den næsten samtidige opdagelse af kvantum af energi, Heisenberg usikkerhed princippet og probabilistiske karakter af elementære partikler placering giver impulser til udviklingen af en fundamentalt ny videnskabelig tilgang til studiet af den omgivende verden. Et nyt afsnit - fysik elementarpartikler.
Det vigtigste spørgsmål ved indgangen til alderen på de store opdagelser i ultra-lille målestok var at forklare tilstedeværelsen af elementære partikelmasser og bølge egenskaber.
Einstein viste, at selv umærkelig foton har en masse, som et faststof transmitterer en puls, der falder på den (let tryk fænomen). I dette tilfælde talrige eksperimenter på spredningen af elektroner i sprækkerne af nævnte mindst de har diffraktion og interferens er det særegne kun at vinke. Som følge heraf måtte jeg erkende: elementarpartiklerne samtidig et objekt med en masse og en bølge. Dvs. massen af, siger, en elektron, som det var "smurt" i energipakken til den bølge egenskaber. Dette princip med bølge-partikel dualitet har lov til at forklare først og fremmest hvorfor elektronen ikke falder ind i kernen, og for, hvad der findes grunde i et atom bane, og overgangene mellem dem er brat. Disse overgange og generere et spektrum unik for ethvert stof. Dernæst elementarpartikelfysikken skal forklare var egenskaber selve partiklerne, samt deres samspil.
Bølgefunktion kvantetallene
Erwin Schrödinger gjort en overraskende og hidtil obskure åbningen (på grundlag af hans senere Pol DIRAK byggede sin teori). Han viste, at tilstanden af hver enkelt partikel, for eksempel, beskriver en elektron bølge funktion ψ. I sig selv betyder det ikke noget, men det vil firkantet sandsynligheden for at finde elektronen på et givet punkt i rummet. I denne tilstand af elementarpartikler i et atom (eller et andet system) er beskrevet af fire kvantetal. Denne main (n), orbital (l), magnetisk (m) og centrifugering (m s) numre. De viser egenskaberne af elementarpartikler. Som en analogi, kan du bringe olien blok. Dens egenskaber - vægt, størrelse, farve og fedtindhold. Imidlertid kan de egenskaber, der beskriver elementarpartikler, ikke forstås intuitivt, bør de være opmærksomme på gennem den matematiske beskrivelse. Arbejde Dirac ligningen er - fokus i denne artikel er helliget til sidstnævnte, at antallet af spin.
spin-
Før vi går direkte til ligningen, er det nødvendigt at forklare, hvad betegner spin nummer m s. Det viser egen impulsmoment elektronens og andre elementarpartikler. Dette nummer er altid positiv og kan tage en heltalsværdi, nul eller halv værdi (m s = 1/2 elektron). Spin - størrelse vektor og det eneste, som beskriver orienteringen af elektronen. Kvantefeltteori sætter spinde grundlag af udvekslingen interaktion, hvilket ikke er medtaget i generelt intuitive mekanik. Spin nummer viser, hvordan vektoren skal henvende sig til at komme til sin oprindelige tilstand. Et eksempel ville være en almindelig kuglepen (skrivning del vil lade den positive retning af vektoren). At hun kom til den oprindelige tilstand, er det nødvendigt at dreje 360 grader. Denne situation svarer til bagsiden af 1. Når den bageste halvdel, som elektronacceptor rotation skal være 720 grader. Så ud over at matematisk intuition, skal have udviklet rumlig tænkning at forstå denne egenskab. Lige over behandlet bølgefunktionen. Det er den vigtigste "skuespiller" Schrodinger ligning hvorved beskriver tilstanden og positionen af elementarpartiklerne. Men dette forhold i sin oprindelige form er beregnet til spinless partikler. Beskrive tilstanden af elektronen kan kun holde hvis generalisering af Schrödingerligningen, hvilket er sket i arbejdet i Dirac.
Bosons og fermioner
Fermion - partikler med halvt integer spin værdi. Fermioner er anbragt i systemer (fx atomer) efter princippet om den Pauli udstødelse i hver stat bør ikke være mere end én partikel. Således indeholder hver elektron i atomet er noget anderledes end alle andre (nogle kvantetallet har en anden betydning). Kvantefeltteorien beskriver en anden sag - bosoner. De har et spin, og alle kan samtidig være i samme tilstand. Gennemførelsen af denne sag kaldet Bose-Einstein kondensering. På trods af den forholdsvis godt bekræftet den teoretiske mulighed for at få det, er det hovedsageligt udført i 1995 alene.
Dirac ligningen
Som vi sagde ovenfor, Pol DIRAK afledt en ligning af klassisk felt elektron. Den beskriver også status for de andre fermioner. Den fysiske følelse af forbindelsen er kompleks og mangesidet, og på grund af sin form, bør være en masse grundlæggende konklusioner. Form af ligningen er som følger:
- (mc 2 α 0 + c Σ en k p k { k = 0-3}) ψ (x, t) = i H {∂ ψ / ∂ t (x, t)},
hvor m - masse af fermioner (især elektroner), c - lysets hastighed, s k - tre operatører momentum komponent (akserne x, y, z), H - trimmet Plancks konstant, x og t - tre rumlige koordinater (svarende til akserne X , Y, Z) og tid, henholdsvis og ψ (x, t) - chetyrohkomponentnaya kompleks bølge funktion, α k (k = 0, 1, 2, 3) - Pauli matrix. De sidstnævnte er lineære operatorer, der virker på den bølge funktion og dens plads. Denne formel er ganske kompliceret. For at forstå det mindste dens komponenter, er det nødvendigt at forstå de grundlæggende definitioner af kvantemekanikken. Du bør også have en bemærkelsesværdig matematiske viden til i det mindste vide, hvad en vektor, matrix, og operatøren. Specialist form af ligningen til at sige endnu mere end dens komponenter. En mand velbevandret i kernefysik og kvantemekanik bekendt med, forstår vigtigheden af dette forhold. Men vi må indrømme, at Dirac ligningen og Schrödinger - kun de elementære principper i den matematiske beskrivelse af de processer, der sker i verden af kvante mængder. Teoretiske fysikere, der har besluttet at hellige sig de elementarpartikler og deres samspil, er nødt til at forstå essensen af disse relationer på første og anden grad. Men denne videnskab er fascinerende, og det er i dette område kan gøre et gennembrud eller at forevige hans navn, tildele den til ligningen, konvertering eller ejendom.
Den fysiske betydning af ligningen
Som vi lovede, vi fortæller hvilke konklusioner skjuler Dirac ligningen for elektronen. For det første bliver dette forhold klart, at elektron spin er ½. For det andet, ifølge ligningen, elektronen har en indre magnetisk moment. Det er lig med Bohr magneton (en elementær magnetiske moment). Men det vigtigste resultat af at få dette forhold ligger i den uanselige operatør α k. Indgåelse af Dirac ligningen fra Schrödingerligningen tog lang tid. Dirac oprindeligt troede, at disse operatører hindrer forholdet. Med hjælp fra forskellige matematiske tricks han forsøgte at udelukke dem fra ligningen, men han havde ikke lykkes. Som et resultat, Dirac ligning for de frie partikler indbefatter fire operatør α. Hver af dem repræsenterer en matrix [4x4]. To svarer til den positive elektronens masse, hvilket beviser, at der er to bestemmelser i sin spin. Andre to give en opløsning for negative massepartikler. Den mest grundlæggende viden om fysik give en person til at konkludere, at det er umuligt i virkeligheden. Men som et resultat af forsøget blev det konstateret, at de sidste to matricer er de løsninger på de eksisterende partikler, elektron modsatte - anti-elektron. Som elektron, positron (såkaldt denne partikel) har en masse, men ladningen er positiv.
positron
Som det ofte er sket i den æra af opdagelser af kvante Dirac i første omgang ikke troede deres egne konklusioner. Han turde ikke åbent offentliggøre forudsigelsen af en ny partikel. Men i en række papirer og symposier om forskellige forskere har understreget muligheden for dens eksistens, selv om det ikke er postuleret. Men snart efter tilbagetrækningen af denne berømte forhold positron blev opdaget i kosmisk stråling. Således har sin eksistens blevet bekræftet empirisk. Positron - den første fundne folk antistof element. Positron født som et tvillingepar (den anden tvilling - er en elektron) i interaktionen af fotoner med meget høje energi stof kerner i et stærkt elektrisk felt. Giv tal, vi vil ikke (og den interesserede læser vil finde sig selv alle de nødvendige oplysninger). Men det er værd at understrege, at dette er en kosmisk skala. For at producere den nødvendige energi fotoner kan kun supernova eksplosioner og galaktiske kollisioner. de er også i en række, der er indeholdt i kerner af varme stjerner, herunder solen. Men en person altid en tendens til hans fordel. Udslettelse af stof og antistof giver en masse energi. For at dæmme op for denne proces, og at sætte det til gavn for menneskeheden (for eksempel, ville være effektive motorer af interstellare skibe til udslettelse), har folk lært at gøre protonerne i laboratoriet.
Især kan store acceleratorer (såsom LHC) skaber elektron-positron par. Tidligere også det er blevet foreslået, at der ikke kun er elementære antipartikler (ud over elektronen dem et par mere), men hele antistof. Selv et lille stykke af enhver krystal af antistof ville give den energi planeten (måske Kryptonit Superman var antistof?).
Men ak, oprettelse af antistof-kerner tungere end brint er ikke blevet dokumenteret i det kendte univers. Men hvis læseren mener, at interaktionen af stof (bemærk, det er stoffet, ikke af en enkelt elektron) med positron annihilation afslutter straks, han fejl. Når positron deceleration ved høj hastighed i nogle væsker med ikke-nul sandsynlighed opstår beslægtet elektron-positron par, kaldes positronium. Denne formation har nogle egenskaber atomet og endda mulighed for at indgå i kemiske reaktioner. Men der er denne skrøbelige tandem kort tid og derefter stadig annihilates med emission af to, og i nogle tilfælde, og tre gammastråler.
ulemper ved ligningen
På trods af at gennem dette forhold blev opdaget af anti-elektron og antistof, har det en væsentlig ulempe. Skrivning Ligninger og model bygget på basis af det, ikke er i stand til at forudsige, hvordan partiklerne er født og ødelagt. Dette er en mærkelig ironi kvanteverdenen: teorien forudsagde fødslen af stof-antistof par, er ikke i stand til tilstrækkeligt beskrive denne proces. Denne ulempe er blevet elimineret i kvantefeltteori. Ved at indføre kvantiseringen af felter, denne model beskriver deres interaktion, herunder oprettelse og udslettelse af elementarpartikler. Ved "kvantefeltteori" betyder i dette tilfælde en meget specifik sigt. Dette er et område af fysikken, der studerer adfærd kvantefelter.
Diracs ligning i cylindriske koordinater
Til at begynde, så du ved, hvad en cylindrisk koordinatsystem. Stedet for de sædvanlige tre indbyrdes vinkelrette akser til at bestemme den nøjagtige placering af et punkt i rummet ved hjælp af vinkel, radius og højde. Dette er det samme som et polært koordinatsystem på flyet, men tilføjet en tredje dimension - højde. Dette system er nyttig, når du ønsker at beskrive eller at undersøge en overflade symmetrisk omkring en akse. Kvantemekanik er et meget nyttigt og praktisk værktøj, der kan reducere størrelsen af antallet af formler og beregninger betydeligt. Dette er en konsekvens af aksial symmetri af elektronskyen i et atom. Dirac ligningen løses i cylindriske koordinater lidt anderledes end normalt i systemet, og nogle gange giver et uventet resultat. For eksempel nogle anvendelser problemet med at bestemme opførslen af elementarpartikler (sædvanligvis elektroner) i kvantiserede transformationskoefficienter typen felt løst ligninger til cylindriske koordinater.
Anvendelse ligninger til at bestemme strukturen af det partikulære
Denne ligning beskriver elementarpartiklerne: dem, der ikke består af endnu mindre elementer. Moderne videnskab er i stand til at måle de magnetiske momenter med stor nøjagtighed. Således, at en mismatch tælle hjælp af Dirac ligningen værdier eksperimentelt målte magnetisk moment vil indirekte angiver den komplekse struktur af partiklerne. Recall, denne ligning gælder for fermioner, deres halv-heltal spin. kompliceret struktur af protoner og neutroner blev bekræftet ved hjælp af denne ligning. Hver af dem består af endnu mindre komponenter kaldet kvarker. Gluon felt holder kvarkerne sammen, ikke at lade dem falde fra hinanden. Der er en teori om, at kvarker - det er ikke de mest elementære partikler af vores verden. Men så længe folk ikke har nok teknisk kapacitet til at kontrollere dette.
Similar articles
Trending Now