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電子簡并壓力
來源:互聯網

電子簡并壓力是量子簡并壓力的一種常見現象的具體表現。泡利不相容原理不允許兩個相同的半整數自旋的粒子(電子或其他費米子)同時占據相同的量子態,因此產生了一種抵抗壓縮的壓力。弗里曼·戴森(Freeman Dyson)表明,固體物質的不透水性是由于量子簡并壓力引起而不是以前認為的靜電斥力。此外,電子簡并壓力阻礙了垂死恒星引力坍縮,從而形成白矮星。

術語介紹

電子簡并壓力是由泡利不相容原理產生的。在恒星物理中,它造成了白矮星的存在。

電子簡并壓力不是“力”,它是交換相互作用(exchange interaction),但它和我們平常說的四大基本力的相互作用完全是兩碼事,它并不需要交換媒介粒子。交換相互作用只發生在全同粒子之間,本質上是一種波函數的干涉效應,不涉及任何“力”。它類似于分子熱運動,溫度升高時,分子熱運動加劇,物體體積增大,這時我們并不能認為是某種力使該物體體積增大。所以我們可以將電子簡并壓力想象為由“電子熱運動”產生的“電子氣壓”。

氣壓是由大量分子碰撞產生的統計性質,公式為能量 E 是氣體分子的內能簡并壓是疊加在氣壓上面的效果,壓力公式一樣,區別在于 E 是粒子的恩里科·費米動能因此電子簡并壓力為其實電子簡并壓力是無處不在的,只是在通常情況下,這個壓力小得可以忽略。但當電子數密度( )足夠高,溫度足夠低時,它就會占主導地位。在白矮星中,原子間的電磁力頂不住萬有引力的猛烈擠壓,原子的電子殼層被壓碎,形成自由電子在晶格中穿行,或者說原子核漂浮在電子海洋中的狀態。我們可以把這時的情況想象為所有原子核和電子共同形成了一個超大分子,而根據泡利不相容原理,分子軌道中的一個原子軌道只能容納兩個自旋方向相反的電子。由于軌道能級越低,電子距離原子核越近。當物質被壓縮到極大的密度時,萬有引力會竭力拉近電子與原子核之間的距離,這時低能級軌道將被電子擠滿。泡利不相容原理不容許兩個電子處在同一個狀態,相互靠近的電子將產生一種新的排斥力,阻止體積的進一步縮小。

可能與電子簡并壓力相關的解釋是海森堡測不準原理:此處 h是保羅·狄拉克常數(約化普朗克常數),Δ x是測量時在位置上的不確定值,而Δ p動量測量不確定的標準差。

一種本質為壓力增加時就會被壓縮的材料,在內部的電子,位置測量的不確定量Δ x就會減少,因此依據測不準原理,電子動量的不確定量Δ p,將會增大。然而,無論溫度降至多低,電子一定會因為溫度而以海森伯格速度運動,并貢獻出壓力。當電子由"海森堡速度"產生的壓力凌駕于熱運動之上時,電子就進入簡并狀態,這種材料就成為簡并態物質。

電子簡并壓力在恒星質量未超過錢德拉塞卡極限(1.44個太陽質量)前能阻止核心的塌縮,這就是阻止白矮星崩潰的壓力。質量超出這個極限而又沒有燃料可以進行核融合的恒星,將會因為電子提供的簡并壓力不足以抵抗萬有引力,而繼續塌縮形成中子星或黑洞。

參考資料 >

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