7. Квантовая теория поля. Виртуальный механизм взаимодействия элементарных частиц. Спин.

Квантовая механика не учитывала релятивистские эффекты, движение при скоростях, близких к скорости света. Также она не учитывала рождение и уничтожение частиц. В силу этого и была разработана новая теория – квантовая теория поля.

Вакуумное состояние. Согласно квантовой теории поля, невозможно такое состояние, где нет ни поля, ни частиц, то есть невозможна пустота, то есть поле не может перестать существовать; в своём наинизшем энергетическом состоянии оно выступает как вакуум. Для вакуума характерны несвободные, самостоятельно наблюдаемые, а виртуальные частицы, порождаемые и сразу же поглощаемые им, то есть вакуум – это облако виртуальных частиц. Очень многие физические явления нельзя объяснить без привлечения этого понятия. Вакуум – один из активнейших неустранимых физических агентов, которые как бы сопровождают любые, невиртуальные частицы (протоны, электроны)

Виртуальный механизм взаимодействия элементарных частиц.

Взаимодействие между частицами осуществляется так: одна частица испускает (порождает) квант взаимодействия, а другая его поглощает. Любая частица имеет право испускать виртуальный квант взаимодействия.

Природа виртуальных частиц такова, что, возникнув через время , они должны быть поглощены, то есть в квантовом смысле.

Поле есть совокупность виртуальных частиц. Время жизни их очень мало. Ниже приведено графическое взаимодействие элементарных частиц, изображённое с помощью диаграмм Фреймана, на которых виртуальные частицы изображаются волнистыми или пунктирными линиями, а не виртуальные – сплошными.

Частица излучает и сама же поглощает виртуальный квант

Взаимодействие 2-х частиц по средствам одного виртуального кванта

Важнейшей характеристикой квантовых объектов является спин – это собственный момент импульса частицы. Кроме него существует орбитальный момент импульса частицы (вращение по орбите). Спин можно было представить как вращение частицы по собственной оси. Спин частицы может быть направлен по любой оси. Спин - это внутренне свойство частицы такое же, как масса, заряд. Величина сплина кратна постоянной Планке , где J принимает целочисленные значения 0, 1, 2 и т.д. и полу целочисленные 1/2 , 3/2, 5/2 и т.д. Наиболее часто встречаемые значения спина 0, 1/2,1 . В классической физике одинаковые частицы различаются своим положением в пространстве. В квантовой физике одинаковые частицы в пространстве неразличимы, согласно своей вероятностной природе они относятся к одной и той же области пространства.

Вероятность нахождения частицы в определённом месте определяется квадратом модуля волновой функции. Условие тождественности 2-х частиц можно записать в следующем виде: 1,2 обозначают совокупность координат спинов соответствующих частиц.

Случай 1 соответствует симметричной волновой функции, то есть частицы 1 и 2 не только тождественны друг другу, но и их состояния одинаковы. Случай 2 соответствует антисимметричной волновой функции, то есть частицы тождественны друг другу, но их состояния отличаются. => Частицы 1, 2 должны отличаться по одному из 2-х параметров, которым и оказывается спин. Согласно принципу Паули: частицы обладающие полу целым спином не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паули позволяет описать структуру атомов, молекул водорода, который состоит из 2-х электронов, спин, каждого равен 1/2h, но направлен по 4-м разным направлениям.

Частицы делятся на 2 класса:

1) частицы с целым спином называются бозонами (фотон, пимезон, гравитон)

2) частицы обладающие полуцелым спином называются фермионами.

Электрон, позитрон, протон, нейрон: спин=1/2