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]

  1. boson (dictionary entry). Merriam-Webster's Online Dictionary. Архів оригіналу за 25 червня 2013. Процитовано 21 березня 2010. 
  2. Bosons and Antiparticles(англ.)
  3. Долина ядерной стабильности(рос.)
  4. Top Dark Matter Candidate Loses Ground to Tiniest Competitor(англ.)
  5. Oddball sexaquark particles could be immortal, if they exist at all(англ.)
  6. Левич, 1969, с. 647.
  7. The Bose fluid(англ.)
  8. The Man Behind the Boson Particle(англ.)

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.