Вільна частинка

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Вільні частинки — термін, який уживається в фізиці для позначення частинок, які не взаємодіють з іншими тілами, а, отже мають тільки кінетичну енергію.

Сукупність вільних частинок утворює ідеальний газ.

Незважаючи на простоту означення, в фізиці поняття вільної частинки відіграє дуже велику роль, оскільки рівняння руху повинні перш за все задовольнятися для вільних частинок.

Класична механіка[ред.ред. код]

У класичній фізиці вільна частинка зберігає свою швидкість у інерціальній системі відліку. Це твердження є першим законом Ньютона.

Кінетична енергія вільної частинки задається формулами

  • , де m — маса частинки, у нерелятивітському випадку
  • , де сшвидкість світла, у релятивістькому випадку.

Нерелятивістська квантова механіка[ред.ред. код]

Квантові частинки описуються рівнянням Шредінгера

Розв'язки цього рівняння даються суперпозицією хвильових функцій, які мають вигляд

,

де

,

— будь-яке комплексне число.

Хвильовий вектор є для вільної квантовомеханічної частинки квантовим числом.

Вільна квантова частинка може перебувати в стані з строго визначении хвильовим вектором. Тоді її імпульс теж строго визначений і дорівнює . В такому випадку енергія частинки теж визначена й дорівнює E. Проте, квантова частинка може перебувати також у змішаному стані, в якому ні імпульс, ні енергія не визначені.

Релятивістька квантова частинка[ред.ред. код]

Релятивістські квантові частинки описуються різними рівняннями руху, в залежності від типу частинок. Для електронів і водночас їхніх античастинок позитронів справедливе рівняння Дірака. У стані з визначеним значенням імпульсу p енергія частинок дорівнює

,

де знак + відповідає електрону, а знак - відповідає позитрону. Для релятивістського електрона з'являється також додаткове квантове число — спін.

Інші частинки описуються своїми специфічними рівняннями, наприклад безспінова частинка описується рівнянням Клейна — Ґордона, фотонирівняннями Максвелла тощо.