Бозон

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Симетрична хвильова функція двох бозонів у нескінченній квадратній потенційній ямі

Бозо́н (від прізвища фізика Шатьєндраната Бозе[1]) — частинка або квазічастинка з цілим значенням спіну (0, 1, 2, ... у одиницях Планка). Одна з двох великих груп, на які поділяються всі відомі частинки, як прості так і композитні (другу групу складають частинки з напівцілим спіном — ферміони). Хвильова функція бозонів симетрична щодо перестановки частинок, тому вони підпорядковуються статистиці Бозе — Ейнштейна: у одному квантовому стані може перебувати необмежена кількість однакових частинок.

До бозонів належать: фотони, W і Z бозони, мезони і антимезони, нейтральні атоми водню або гелію-4, фонони тощо.

На відміну від ферміонів, елементарні бозони не мають античастинок[2]. Відповідно, кількість бозонів не зберігається, тоді як баріонне і лептонне число — не змінюються при реакціях елементарних частинок.

Деякі класи бозонів[ред. | ред. код]

Елементарні бозони[ред. | ред. код]

Всі носії фундаментальних взаємодій є бозонами, і всі відомі елементарні бозони — носії фундаментальних взаємодій. До цього класу належать: фотони, глюони (9 типів), W± і Z0 бозони, бозон Хіггса і гіпотетичний носій гравітаційної взаємодії гравітон.

З бозонів стандартної моделі, один (бозон Хіггса) є скалярним — має спін 0, решта — векторні (мають спін 1). Гравітон теоретично є тензорним — має спін 2.

Адрони[ред. | ред. код]

Кварки мають спін ½, тому частинки, що складаються з парної кількості кварків є бозонами. Такі частинки називають мезонами. Більшість відомих мезонів складаються з кварка і антикварка, проте відомі і екзотичні мезони, що складаються з чотирьох кварків (тетракварки). Гіпотетично передбачені мезони, що не містять кварків взагалі, а є лише зв'язанним станом кількох глюонів, проте існування таких станів ще не підтверджено.

Ядра атомів[ред. | ред. код]

Оскільки протони і нейтрони мають напівцілий спін, парна їх кількість має цілий спін. Тому ядра парно-парних і непарно-непарних нуклідів є бозонами. Найлегшими ядрами-бозонами є дейтерій і гелій-4, найважчими — теннессин-294 і оганесон-294.

Парно-парні ядра є найстабільнішими ізотопами, тоді як непарно-непарні — навпаки, найбільш нестабільними. Ядра з напівцілим спіном займають проміжну позицію[3].

Якщо ядро знаходиться у збудженому стані, нуклони можуть мати додатковий момент, пов'язаний з орбітальним рухом, проте якщо ядро має цілий спін, то і у збудженому стані спін такого ядра залишиться цілим.

Атоми[ред. | ред. код]

Спін атома складається зі спіна ядра і сумарного спіна і орбітального моменту всіх його електронів. Найпростіший з атомів — атом водню, що складається з одного протону і одного електрону, є бозоном.

Квазічастинки[ред. | ред. код]

У багатьох випадках коливанням різних полів у твердому тілі можна поставити у відповідність частинки (за принципом корпускулярно-хвильового дуалізму). Такі поля не існують окремо від тіла, у якому вони розповсюджуються, тому відповідні частинки називають квазічастинками. Багато квазічастинок, такі як фонон і магнон є бозонами. Також важливими квазічастинками-бозонами є зв'язаний стан електронів куперівська пара — два електрона, що об'єднуються завдяки взаємодії з фононами (ці частинки відіграють важливу роль у механізмі надпровідності) або екситон — зв'язаний стан електрона і дірки.

Гіпотетичні частинки[ред. | ред. код]

Багато розширень стандартної моделі передбачають існування нових бозонів.

  • Темна матерія може складатися з невідомих нам легких бозонів — кандидатом на цю роль є аксіон[4].
  • Суперсиметричні теорії передбачають існування слептонів — суперсимметричних партнерів лептонів. Такі частинки носять відповідні назви селектрон, смююн і т.д. Якщо слептони існують, то вони є надзвичайно важкими.
  • Теорія великого об'єднання передбачає існування єдиної взаємодії, в яку зливаються слабка, сильна і електромагнітна взаємодія за надвисоких енергій. Носіями такої взаємодії є X та Y бозони.
  • Гексакварки[en] — гіпотетичні мезони, що складаються з шести кварків. Наразі існує кілька кандидатів на таку частинку, проте вони все ще не є підтвердженими. Деякі варіанти гексакварків є дуже стабільними, тому теж розглядаються як кандидати у темну матерію[5].

Системи бозе-частинок[ред. | ред. код]

Бозе-газ[ред. | ред. код]

Розподіл бозонів по енергетичних рівнях може бути отриманий з розподілу розподілу Ґіббса. Оскільки на бозони не діє принцип Паулі, їх розподіл по енергетичних рівнях для ідеального газу можна отримати, якщо додати умови про дискретність можливих енергетичних станів і неможливість розрізнення частинок.

,

де nk — кількість частинок, що мають енергію εk, μ — хімічний потенціал, k — стала Больцмана а Т — температура.

Цей вираз називається статистикою Бозе-Ейнштейна. Варто зауважити, що для бозе-газу μ завжди менше або дорівнює нуля (інакше формула давала б від'ємні значення кількості частинок для деяких енергій).

Можна порівняти цей розподіл з розподілом для газу ферміонів

,

і розподілом Максвелла-Больцмана для класичних частинок:

,

Як можна побачити, розподіли стають однаковими, якщо експонента у знаменнику значно більша за одиницю.

Використовуючи формули розрахунку хімічного потенціалу, можна записати критерій допустимості використання класичних формул для опису квантових газів[6]:

,

Тобто, газ може перестати описуватись класичними формулами через низьку температуру, високий тиск, або легкість частинок. Такий газ називається виродженим.

Характерною особливістю бозе-газів є бозе-конденсація — перехід макроскопічної кількості атомів у стан з нульовою енергією.

Приклади реальних бозе-газів, де квантові ефекти мають значний вплив:

  • Газ, що складається з бозе-атомів за наднизьких температур
  • Фотонний газ (такий газ завжди є виродженим)
  • Фононний газ у бозе-ейнштейнівському конденсаті

Неідеальний бозе-газ, атоми якого взаємодіють, описується за допомогою рівняння Гросса–Пітаєвського[en].

Бозе-рідина[ред. | ред. код]

У деяких випадках, бозе-конденсація може відбуватися у рідині а не у газі. Найважливішою особливістю бозе-рідин є надплинність. Прикладами таких систем є[7]:

Вторинне квантування[ред. | ред. код]

Для операторів народження та знищення бозонів виконуються комутаційні співвідношення:

Історія[ред. | ред. код]

Назва "бозон" була запропонована Полем Діраком на честь індійського фізика Шатьєндраната Бозе, який першим описав розподіл енергії бозонного газу. Бозе вивів свій розподіл для фотонного газу у 1923 році, намагаючись вивести закон випромінювання Планка для абсолютно чорного тіла з принципів квантової теорії[8].

Примітки[ред. | ред. код]

Див. також[ред. | ред. код]

Література[ред. | ред. код]

  • Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк : Вебер, 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0
  • Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1 // Теоретическая физика. — М. : Физматлит, 2005. — Т. 5. — 616 с.
  • В.Г. Левич. Курс теоретической физики. — 2. — М. : Наука, 1969. — Т. 1. — 912 с.