2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему
 
 Обменное взаимодействие
Сообщение12.02.2016, 13:03 


21/09/15
98
 i  Pphantom:
Выделено из «Популярно о физике.»


Munin в сообщении #989047 писал(а):
Теперь, как взаимодействуют между собой две заряженные частицы? Напоминаю, что выше слово "взаимодействие" подразумевалось в более фундаментальном смысле: как частица взаимодействует с полем. Но если вдруг перед нами оказались две частицы, то получается такая картина: одна частица взаимодействует с полем, и поле передаёт это другой частице, как посредник.

Munin в сообщении #989085 писал(а):
Тут для вдохновения хорошо заданный вопрос нужен :-) Я подозреваю, если бы кто-нибудь взялся систематически расспросить меня по всем пунктам какой-нибудь теории, то вполне получилась бы книжка.


Ни в малейшей степени не претендую на то, что мой вопрос будет причислен к множеству "хорошо заданных", но всё же я представлю его на рассмотрение автора темы, поскольку интересует он меня давно, а строгого внятного ответа найти никак не удаётся. Некоторые могут сказать: «Не там, мол, искал или недопонял найденное.» Очень может быть, но тогда буду благодарен за подсказку, где и что искать, какие книжки следовало бы тщательнéе прочесть. Скажу даже больше: за свою уже достаточно долгую жизнь не раз доводилось с грустью удостоверяться, что и многие вполне с социальной точки зрения успешные "яйцеголовые" :-) в данной теме не чувствуют себя достаточно уверенно, про студентов можно бы даже и не упоминать. Но это всё преамбула. Ближе, как говорится, к телу…

Речь идёт о так называемом «обменном взаимодействии». Ну, разные там «принципы Паули», etc. Да, да, понимаю, относится это понятие не к телам-частицам, а к волновым функциям, вроде бы? Однако ж в реальности оно себя вполне ощутимо проявляет, позволяя элементарным частицам объединяться дóлжным образом в атомы, молекулы, кластеры, протяжённые тела и так далее.
Можно ли данный тип взаимодействия рассматривать как "полевой"? Существуют ли для него, по аналогии с э.-м. взаимодействиями, «заряды», «переносчики», «волны», … Или же это что-то наподобие сил инерции в классической механике?

Не спешите рвать меня на кусочки — разумеется, никогда и нигде я в таком сочетании перечисленные понятия не встречал. И изложения предмета с подобных позиций — тоже. Однако меня всегда несколько раздражало то, что обычно в учебниках по КМ при изложении Принципа Паули говорится что-то вроде «В одном состоянии не может находиться более одной частицы.». Но при этом нигде и никогда о том, что же следует понимать под термином «состояние», каковы его пространственно-временные границы, речи не идёт. Хотя противоречия с провозглашённым принципом встретить не столь уж трудно: при рассмотрении молекулы водорода, например, электронам на любой орбитали запрещается иметь одинаково-направленные спины, но вот протонов это правило почему-то не касается — вполне себе существуют как пара-, так и ортоводород!

 Профиль  
                  
 
 Re: Популярно о физике.
Сообщение12.02.2016, 14:11 


31/07/14
693
Я понял, но не врубился.
AL Malino в сообщении #1098836 писал(а):
Хотя противоречия с провозглашённым принципом встретить не столь уж трудно: при рассмотрении молекулы водорода, например, электронам на любой орбитали запрещается иметь одинаково-направленные спины, но вот протонов это правило почему-то не касается — вполне себе существуют как пара-, так и ортоводород!

http://pskgu.ru/ebooks/sdvafpdf5/safgl06_51.pdf
Стр.1 п1,2.
Видимо, это стандартный подход. Т.е. там общая волновая функция протонов молекулы водорода разделяется на спиновую и пространственную составляющие, и одна из них (составляющих) должна быть антисимметрична.
Другой вопрос - протон и нейтрон вроде как с определённой точки зрения одна и та же частица. Как тут быть с принципом запрета? Этим вопросом задался И.Иванов - Про нуклоны и принцип запрета Паули.

-- 12.02.2016, 15:10 --

С электронами, впрочем, то же самое - принцип Паули не запрещает им иметь в атоме водорода одинаковые спины, но это невозможно по другим причинам (энергетическим. ФЛФ-8, §3, "Атом водорода").

 Профиль  
                  
 
 Re: Популярно о физике.
Сообщение12.02.2016, 15:14 


31/07/14
693
Я понял, но не врубился.
Не успел отредактировать. Везде вместо атом --> молекула :)

 Профиль  
                  
 
 Re: Обменное взаимодействие
Сообщение12.02.2016, 19:28 


21/09/15
98
Да я догадался, что "молекула". Но за ссылки по любому благодарен. Хотя Фенмана я, разумеется, читал. И даже можно сказать, что именно ознакомление с данным вопросом в его варианте меня окончательно "доконало": мне он был рекомендован как образец ясности и непротиворечивости изложения, а оказалось, что я прочёл примерно тот же набор "объяснений", что и в прочих местах. :-(

"Энергетические причины", говорите? Ну, разумеется, когда речь заходит о физических взаимодействиях, всё так или иначе сводится к энергии. Вопрос только в том, являются ли указанные причины выражением Принципа Паули (ПП) или же существуют сами по себе (Например, два однонаправленных, ни в малейшей степени не квантовых магнита, как известно, отталкиваются. И именно по "энергетическим причинам", а не в силу ПП.).

chislo_avogadro в сообщении #1098847 писал(а):
Видимо, это стандартный подход.
Полагаете, подход "стандартный"? По мне — так не очень: отсутствуют сколь-нибудь строгие рецепты, как производить разбиение системы на части. В результате всё сводится к произволу "разбивающего", а там — как повезёт: совпадёт полученный результат с тем, что наблюдается в реальности, — беги в кассу за Нобелевкой, нет — садись за учебники, штудируй теорию. :-) Можно ещё всех обмануть: выйти из положения, придумав дополнительное квантовое число — изоспин, например. Нет, нет, ничего против изоспина, как такового, я не имею — просто пример.

Для себя-то, как мне кажется, я данную проблему (почти) решил. И потому должен покаяться: тот набор "детских" вопросов, с которым я обратился к автору оригинальной темы, был в некотором роде лёгким беззлобным троллингом (хотя все вопросы возникали в тех или иных ситуациях в реальности при обсуждении заинтересовавшего меня вопроса). Кроме одного. Я его повторю, так как мне он кажется важным, но мало где (а, точнее — нигде не...) встречал пояснённым — ЧТО при формулировке Принципа Паули подразумевается под термином «состояние» (или «одно состояние»)? Состояние Вселенной ( :shock: — why not?)? Состояние рассматриваемой системы в целом? Её составных частей или элементов?
Для такой простой системы, как молекула водорода, ответ, вроде бы, лежит на поверхности: противоречия уходят вдаль, если под «состояниями» понимать совокупность состояний её элементов, а точнее — координатную часть волновых функций составляющих молекулу протонов и электронов. Тогда всё получается складно: ВФ электронов, как более лёгких частиц, в большей степени должны бы перенакладываться в пространстве что, по аналогии с обычными неквантовыми магнитами, при анти-параллельной ориентации моментов обеспечивает максимальное притяжение, при параллельной — отталкивание. ВФ протонов более "компактны", и эффекты от их переналожения можно рассматривать как поправку. Опять они — "энергетические причины"(?)

То есть всё сводится к "банальной" электродинамике?
Ах, если бы! Стоит "снабдить" наши частицы дополнительными квантовыми числами, как такое объяснение работать перестаёт — пример с нуклонами, как мне кажется, здесь весьма показателен.

 Профиль  
                  
 
 Re: Обменное взаимодействие
Сообщение12.02.2016, 20:17 
Заслуженный участник


29/09/14
1150
AL Malino в сообщении #1098836 писал(а):
Однако меня всегда несколько раздражало то, что обычно в учебниках по КМ при изложении Принципа Паули говорится что-то вроде «В одном состоянии не может находиться более одной частицы.». Но при этом нигде и никогда о том, что же следует понимать под термином «состояние», каковы его пространственно-временные границы, речи не идёт.

Попробуем спокойно начать с простого. Посмотрим в известный учебник: ЛЛ-3, § 61 "Принцип неразличимости одинаковых частиц". Из следующей ниже цитаты видно, что в формулировке принципа Паули речь идёт, во-первых, об одночастичных стационарных состояниях с определёнными квантовыми числами $p;$ то есть, различные 1-частичные состояния - это состояния различающиеся квантовыми числами, включая и внутренние квантовые числа, такие как спин, не влияющий на форму орбитальной части волновой функции частицы. Орбитальные квантовые числа вполне определяют форму орбитальной части волновой функции частицы в заданном внешнем потенциале. Во-вторых, важно, что взаимодействием между частицами можно пренебречь - это необходимо для определённости 1-частичных стационарных состояний; и, значит, не следует объяснять принцип Паули каким-то "полевым взаимодействием" между частицами.

Изображение

Изображение

Изображение

Примечание 1): Под интегрированием по $d\xi$ подразумевается интегрирование по координатам вместе с суммированием по дискретной спиновой переменной $s_z$.

 Профиль  
                  
 
 Re: Обменное взаимодействие
Сообщение12.02.2016, 21:33 
Заслуженный участник


21/08/10
2404
AL Malino в сообщении #1098836 писал(а):
Можно ли данный тип взаимодействия рассматривать как "полевой"? Существуют ли для него, по аналогии с э.-м. взаимодействиями, «заряды», «переносчики», «волны»,



Нет, всего этого, отдельного от электрического взаимодействия, не существуют. Обменное взаимодействие --- это проявление самого обычного электростатического взаимодействия. Просто квантовый характер движения вносит в электростатическое взаимодействие некие особенности. Собственно, здесь проявляется особенность квантовой кинематики, приводящая в т.ч. к принципу запрета Паули. А именно, если спины двух электронов одинаково направлены, то пространственная часть волновой функции с необходимостью асимметрична. А если противонаправлены, то наоборот обязательно симметрична. В первом случае электроны в среднем дальше друг от друга, а значит и электростатическое их взаимодействие меньше. Получается, что электростатическое взаимодействие двух электронов зависит от их спинов. Вот эту, зависимую от спинов, часть ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО взаимодейстия и называют обменным взаимодействием. А никакого отдельного от электростатического обменного взаимодействия просто не существует в природе.

 Профиль  
                  
 
 Re: Обменное взаимодействие
Сообщение13.02.2016, 14:41 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
AL Malino в сообщении #1098836 писал(а):
Речь идёт о так называемом «обменном взаимодействии». Ну, разные там «принципы Паули», etc. Да, да, понимаю, относится это понятие не к телам-частицам, а к волновым функциям, вроде бы? Однако ж в реальности оно себя вполне ощутимо проявляет, позволяя элементарным частицам объединяться дóлжным образом в атомы, молекулы, кластеры, протяжённые тела и так далее.
Можно ли данный тип взаимодействия рассматривать как "полевой"? Существуют ли для него, по аналогии с э.-м. взаимодействиями, «заряды», «переносчики», «волны», … Или же это что-то наподобие сил инерции в классической механике?

Проще всего, мне кажется, посмотреть это на такой модельке. Возьмём 2 частицы в 1-мерном пространстве. Они описываются общей волновой функцией $\Psi(x_1,x_2).$ "Принцип Паули" - это, на самом деле, всего лишь проявление более глубокого принципа - антисимметричности волновой функции. В данном случае, это означает, что
$$\Psi(x_1,x_2)=-\Psi(x_2,x_1).$$ В остальном движение двух частиц подобно движению одной частицы в 2-мерном пространстве.

К чему это приводит? Волновая функция зануляется на диагонали $x_1=x_2.$ Это же происходило бы, если бы на этой диагонали (для одной частицы в 2-мерном пространстве) стояла бы идеальная бесконечная отражающая стенка. Только и всего.

Вот такому взаимодействию эквивалентен "запрет Паули".

(В более чем 1-мерном пространстве чуть посложнее: там "отражающей" будет не стенка, а линия в пространстве, её можно будет обойти с боков, но в целом это приведёт к квантованию момента вокруг неё, и антисимметризация потребует вычесть чётные значения момента, оставив нечётные.)

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 7 ] 

Модераторы: photon, whiterussian, profrotter, Jnrty, Aer, Парджеттер, Eule_A, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group