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全同粒子系:波函數(shù)

如何構(gòu)造滿足對稱或反對稱要求的波函數(shù),是多粒子系統(tǒng)理論的首要問題。

考慮由兩個全同粒子組成的系統(tǒng)。忽略粒子之間的相互作用,系統(tǒng)的哈密頓量可以表示成兩個單粒子哈密頓量之和:

其中的兩個單粒子哈密頓量的函數(shù)形式完全相同。把這個形式的哈密頓量用到薛定諤方程中:

方程的形式顯示,可以用分離變量的方法將解寫成兩個單粒子波函數(shù)的乘積:

相乘的兩個單粒子波函數(shù)在形式上完全相同。分離變量的結(jié)果是得到了兩個一模一樣的方程,它們是同一個單粒子方程用到兩個粒子上去的結(jié)果:
求解單粒子方程將得到單粒子波函數(shù)及其本征值:

由此得到系統(tǒng)的波函數(shù):

這兩個態(tài)都對應(yīng)于同一個能量本征值:

這種與交換粒子相聯(lián)系的簡并叫做交換簡并。

上面把單粒子波函數(shù)相乘得到的總波函數(shù)顯然不具有對稱的或反對稱的性質(zhì),不能用來做這個全同粒子系的波函數(shù)。如果要求波函數(shù)對于交換兩個粒子是對稱的,就應(yīng)該按照以下的方式構(gòu)造波函數(shù):

如果要求波函數(shù)對于交換兩個粒子是反對稱的,就應(yīng)該按照以下的方式構(gòu)造波函數(shù)

結(jié)果發(fā)現(xiàn),如果兩個粒子的力學(xué)狀態(tài)完全相同:
,系統(tǒng)的波函數(shù)必定等于零。于是,波函數(shù)的反對稱性不允許有兩個全同費米子處于相同的量子態(tài)。這個規(guī)則被稱為泡利不相容原理。

在量子力學(xué)發(fā)展的初期,為了解釋原子內(nèi)部電子的排布規(guī)律,泡利在早期量子論的框架下首先提出不相容假說。后來,海森伯、費米和狄拉克用波函數(shù)的反對稱性說明了這條自然法則。泡利不相容原理是理解原子內(nèi)部電子的排布方式和元素周期表的理論基礎(chǔ)。元素周期表是門捷列夫于1869年提出來的,然而,人們并不清楚周期表所掛靠的理論依據(jù)。1921年,玻爾首次從物理學(xué)的角度指出,元素性質(zhì)呈現(xiàn)的周期性可以用原子內(nèi)電子的軌道排布來解釋。1925年,泡利提出不相容假說后,人們更深刻地認識到,元素的物理化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)的周期性來源于核外電子組態(tài)的周期性變化,是電子排布具有殼層結(jié)構(gòu)的反映。

以上由兩個全同粒子組成的系統(tǒng)的波函數(shù)的構(gòu)造方法可以推廣到由多個全同粒子組成的系統(tǒng),系統(tǒng)的對稱的或反對稱的波函數(shù)原則上也可以用單粒子波函數(shù)做類似的排列組合構(gòu)造。但這將是一件繁瑣的工作。

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