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
730
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
730
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
1255
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
2479
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: YandexBot [bot]


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