Фермионы и бозоны

Спин (то есть собственный момент импульса частицы, не связанный с ее перемещением в пространстве) и собственный магнитный момент микрообъектов нашли последовательное описание только в рамках релятивистской квантовой теории, основы которой не излагались в курсе атомной физики, поэтому ниже вкратце сообщается только о твердо установленных результатах без какого-либо их обоснования.

После открытия спина и собственного магнитного момента электрона было обнаружено, что такими же наблюдаемыми обладают и протоны, и нейтроны, и фотоны. В настоящее время время спин и магнитный момент признаны универсальными наблюдаемыми, сопоставляемыми всем известным микрообьектам.

Например, спины протона и нейтрона, как и у электрона, равны "одной второй", то есть s = ^. Последнее означает, что собственное значение оператора квадрата спина протона и нейтрона имеет определенную величину $(s + 1 2 = З/г/4, а собственное значение проекции спина на любое направление может принимать лишь два значения msh = ±^7i. Спин фотона оказался равным "единице", что означает, что величина квадрата спина фотона есть 2/?2, однако спин фотона может иметь только две (а не три) проекции ±/i на направление импульса фотона, что макроскопически соответствует иоиеречности электромагнитных волн.

Спином также называют и полный момент импульса таких сложных мнкрообъектов, каковыми являются ядра атомов, сами атомы и молекулы. В последнем случае спин (он же на самом деле полный момент импульса) микрообъекта вычисляется по правилам квантовой механики как сумма спиновых и орбитальных моментов всех частиц, входящих в состав микрообъекта.

Например, спин ядра гелия, содержащего два протона и два нейтрона, равен нулю. Спин молекулы водорода определяется взаимной ориентацией спинов ядер, так как суммарный спин электронной подсистемы (состоящей из двух электронов) равен нулю[1]. Если молекула водорода образована из двух атомов нро- тия, то возможны два варианта. Спины протонов могут быть как аитипараллельны (и тогда общий спин молекулы равен нулю, а молекула называется па]>аводородом), так и параллельны (и тогда общий спин молекулы равен единице, а молекула называется ортоводородом).

Как уже отмечалось выше (см. примем, к стр. 215) и как это предсказывается квантовой механикой, молекулы и ара водорода могут находиться лишь в состояниях с четной величиной /, а ортоводорода — с нечетной. Вероятность же ’'переворота" спина одного из протонов очень мала, поэтому молекулярный водород можно рассматривать как смесь двух газов, причем при комнатных температурах ортоводорода в естественной смеси 75%, а параводорода — 25 %. Все это выводы квантовой механики нашли экспериментальное подтверждение.

В общем случае величина спина микрообъекта характеризуется целым или полуцелым числом S таким, что квадрат модуля спина микрообъекта равен S(S 4- 1 )/г, а если мнкрообъект имеет ненулевую массу, то проекция спина микрообъекта на любое направление может принимать значения где меняется

через единицу от —S до +5.

Частицы с полуцелыми спинами были названы фермионами, а частицы с целыми спинами были названы бозонами.

Спину микрообъекта сопутствует собственный магнитный момент[2] . Из релятивистской квантовой механики следует, что для точечных бесструктурных частиц магнитный момент мнкрообъ- екта со спином s = должен быть равен соответствующему магнетону, то есть магнетону Бора (4.319) для электрона и ядерно- му магнетону Бора (4.320) для протона, если бы протон был точечным бесструктурным объектом. При том же предположении нейтрон в соответствии с релятивистской квантовой механикой вообще не должен был бы иметь собственного магнитного момента. Между тем, измерения показали, что протон и нейтрон обладают так называемыми аномальными магнитными моментами Мр = 4-2.8//,,, Мп = -1.9//р, где знак "плюс" указывает на параллельность спина и магнитного момента протона, а знак "минус" — на антипараллельность спина и магнитного момента нейтрона. Магнитный момент, как и спин, может иметь лишь две проекции на любое направление в пространстве. "Аномальность" же магнитных моментов протона и нейтрона указывает на сложность устройства этих частиц, как известно, состоящих из кварков (см. гл. 1, подразд. 2.9.5).

Обладают магнитными моментами и ядра атомов, приводя к появлению в структуре уровней энергии атомов сверхтонкой структуры., вызванной взаимодействием магнитных моментов ядра н электронной оболочки атома.

201

  • [1] ?’"и Молекула водорода с единичным спином электронной оболочки неустойчива, то есть распадается на атомы (диссоциирует).
  • [2] Магнитный момент фотона равен нулю.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >