Связанное состояние
Связанное состояние — это сочетание двух или более фундаментальных строительных блоков, таких как частицы, атомы или тела, которые ведут себя как единый объект и для его разделения требуется энергия[1].
В квантовой физике связанное состояние — это квантовое состояние частицы, подверженное такому потенциалу, что частица имеет тенденцию оставаться локализованной в одной или нескольких областях пространства[2]. Потенциал может быть внешним или быть результатом присутствия другой частицы; в последнем случае можно эквивалентно определить связанное состояние как состояние, представляющее две или более частицы, энергия взаимодействия которых превышает полную энергию каждой отдельной частицы в отдельности. Одним из последствий является то, что, учитывая потенциал, исчезающий на бесконечности, состояния с отрицательной энергией должны быть связаны. Энергетический спектр набора связанных состояний чаще всего дискретен, в отличие от состояний рассеяния свободных частиц, которые имеют непрерывный спектр.
Метастабильные состояния с чистой положительной энергией взаимодействия, но большим временем затухания, хотя и не являются связанными состояниями в строгом смысле этого слова, часто также считаются нестабильными связанными состояниями и называются «квазисвязанными состояниями»[3]. Примеры включают радионуклиды и атомы Ридберга[4].
В релятивистской квантовой теории поля устойчивое связанное состояние n частиц с массами соответствует полюсу в S-матрице с энергией центра масс менее . Нестабильное связанное состояние проявляется в виде полюса со комплекснозначной энергией центра масс.
Примеры
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7f/Particle_overview.svg/400px-Particle_overview.svg.png)
- Протон и электрон могут двигаться отдельно; когда они это делают, то общая энергия центра масс положительна, и такую пару частиц можно описать как ионизированный атом. Как только электрон начинает «вращаться» вокруг протона, энергия становится отрицательной и возникает связанное состояние — атом водорода. Стабильным является только связанное состояние, которое обладает наименьшей энергией, называемое основным состоянием. Другие возбуждённые состояния нестабильны и распадаются на стабильные (но не на другие нестабильные) связанные состояния с меньшей энергией, например, путём испускания фотона.
- Позитроний — это нестабильное связанное состояние электрона и позитрона. Он распадается на фотоны.
- Любое состояние квантового гармонического осциллятора является связанным, но имеет положительную энергию. Обратите внимание, что
, поэтому приведённое ниже неприменимо.
- Ядро — это связанное состояние протонов и нейтронов (нуклонов).
- Сам протон представляет собой связанное состояние трёх кварков (два верхних и один нижний; один красный, один зелёный и один синий). Однако, в отличие от атома водорода, отдельные кварки никогда не могут быть разделены.
- Модели Хаббарда и Джейнса — Каммингса — Хаббарда (JCH) оптсывают аналогичные связанные состояния. В модели Хаббарда два отталкивающихся бозонных атома могут образовывать связанную пару в оптической решётке[5][6][7]. Гамильтониан JCH также имеет решение в виде двухполяритонных связанные состояний при достаточно сильном взаимодействии фотона с атомом[8].
Определение
Пусть σ -конечное пространство с мерой есть вероятностное пространство, связанное с сепарабельным комплексным гильбертовым пространством
. Определимоднопараметрическую группу унитарных операторов
, оператор плотности
и наблюдаемую
на
. Пусть
индуцирована распределением вероятностей
относительно
. Тогда эволюция
связан (ограничена) по отношению к если
,
где .[источник не указан 36 дней][9]
Квантовая частица находится в связанном состоянии, если ни в какой момент времени она не оказывается «слишком далеко» от любой конечной области . Например, используя представление волновой функции, это означает
такой, что
В общем, квантовое состояние является связанным состоянием тогда и только тогда, когда оно конечно нормируемо во все времена [10]. Кроме того, связанное состояние лежит в пределах чисто точечной части спектра
тогда и только тогда, когда оно является собственным состоянием
[11].
Говоря более неформально, «ограниченность» является результатом выбора области определения и характеристик состояния, а не наблюдаемой велечины. Для конкретного примера: пусть и разрешим
быть оператором координаты. Учитывая компактную
и
.
- Если эволюция состояния
«перемещает этот волновой пакет вправо», например, если
для всех
, затем
не является связанным состоянием по отношению к координате.
- Если
не меняется во времени, то есть
для всех
, тогда
привязано по отношению к положению.
- В более общем случае: если эволюция состояния
«просто движется
внутри ограниченной области», то
привязано по отношению к координате.
Характеристики
Поскольку конечно нормируемые состояния должны лежать в пределах чисто точечной части (дискретного) спектра, связанные состояния должны лежать в чисто точечной части. Однако, как указали Нейман и Вигнер, энергия связанного состояния может находиться в непрерывной части спектра. Это явление называется связанным состоянием в континууме[12][13].
Состояния, связанные с координатой
Рассмотрим одночастичное уравнение Шрёдингера. Если состояние обладает энергией , то волновая функция ψ удовлетворяет для некоторого
так что ψ экспоненциально затухает при больших x. Такое поведение хорошо изучено для плавно меняющихся потенциалов в приближении ВКБ для волновой функции, где наблюдается колебательное поведение, если правая часть уравнения отрицательна, и поведение роста/затухания, если оно положительно[14]. Следовательно, состояния с отрицательной энергией связаны, если V обращается в нуль на бесконечности.
Невырожденность в одномерных связанных состояниях
Ниже показано, что одномерные связанные состояния невырождены по энергии для волновых функций с хорошим поведением, которые затухают до нуля на бесконечности. Это не обязательно справедливо для волновой функции в более высоких измерениях. Благодаря свойству невырожденных состояний одномерные связанные состояния всегда можно выразить как действительные волновые функции.
Доказательство |
---|
Рассмотрим два собственных состояний Тогда, поскольку уравнение Шредингера выражается как: которое можно переставить, чтобы получить условие Поскольку Решение задачи Более того, можно показать, что эти волновые функции всегда могут быть представлены вполне реальной волновой функцией. Определить реальные функции применяется для i = 1 и 2. Таким образом, каждое одномерное связанное состояние может быть представлено вполне вещественными собственными функциями. Обратите внимание, что вещественное представление волновых функций из этого доказательства применимо для всех невырожденных состояний в целом. |
Теорема об узлах
Теорема об узлах утверждает, что n-я связанная волновая функция, упорядоченная по возрастанию энергии, имеет ровно n-1 узлов, то есть точки где
. Из-за формы независимых от времени уравнений Шрёдингера физическая волновая функция не может иметь
поскольку это соответствует решению
[15].
Требования
Бозон с массой mχ, передающий слабосвязанное взаимодействие, создаёт потенциал взаимодействия типа Юкавы:
,
где , g — калибровочная константа связи, ƛi = ℏ/mic
— приведённая комптоновская длина волны. Скалярный бозон создает универсальный потенциал притяжения, тогда как векторый притягивает частицы к античастицам, но отталкивает, как подобные пары. Для двух частиц массой m1 и m2 боровский радиус системы равен
и даёт безразмерное число
.
Для того чтобы первое связанное состояние вообще существовало, . Поскольку фотон безмассовый, то для электромагнетизма D бесконечно. Для слабого взаимодействия масса Z-бозона равна 91,1876 ± 0,0021 GeV/c2, что предотвращает образование связанных состояний между большинством частиц, так как оно составляет 97,2 times массы протона и 178,000 times массы электрона.
Если бы хиггсовское взаимодействие не нарушило электрослабую симметрию на электрослабом масштабе, то SU(2) слабое взаимодействие обладало бы свойством конфайнмента[16].
Примечания
Литература
- Blanchard, Philippe. Some Applications of the Spectral Representation // Mathematical Methods in Physics: Distributions, Hilbert Space Operators, Variational Methods, and Applications in Quantum Physics : [] / Philippe Blanchard, Edward Brüning. — 2nd. — Switzerland : Springer International Publishing, 2015. — P. 431. — ISBN 978-3-319-14044-5.
- Gustafson, Stephen J. Spectrum and Dynamics // Mathematical Concepts of Quantum Mechanics : [] / Stephen J. Gustafson, Israel Michael Sigal. — 2nd. — Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag, 2011. — P. 50. — ISBN 978-3-642-21865-1.
- Ruelle, David (9 January 2016). "A Remark on Bound States in Potential-Scattering Theory" (PDF). Nuovo Cimento A. 61 (June 1969): 655—662. doi:10.1007/BF02819607. S2CID 56050354. Дата обращения: 27 декабря 2021.