Квантовая механика Дирака

В 1928 году Поль Дирак получил уравнение, обобщающее уравнение Шрёдингера на случай движения частиц с околосветовыми скоростями.

Самое интересное предсказание, вытекающее из уравнения Дирака — существование позитрона — положительного двойника электрона, а также других античастиц. Каждая частица (кроме так называемых истинно нейтральных частиц, например, фотона) имеет свою античастицу, имеющую заряд противоположного знака (чуть подробнее об этом поговорим в след. главе). Позитрон был обнаружен в космических лучах в 1932 году, а другие античастицы — на ускорителях, которые начали строить после 1930 года.

Кроме того, из уравнения Дирака следовало, что у электрона (и других частиц) имеется еще одна характеристика: спин. Он характеризует собственный момент импульса. Спин — особое свойство, присущее микрочастице, так же как ей присущи масса и заряд. Сначала спин пытались объяснить вращением частицы вокруг своей оси, подобно волчку («спин» в переводе с английского — вращение). Однако практически сразу от этой идеи пришлось отказаться и смириться с тем, что у спина нет наглядного образа. Покоится частица или движется произвольным образом — на спин это не влияет. Кстати, что такое масса и электрический заряд, мы тоже не можем наглядно объяснить, просто к этим характеристикам мы уже привыкли, изучая явления макромира.

Спин (собственный момент импульса) имеется абсолютно у всех микрочастиц. Он вычисляется через безразмерное квантовое число s, которое тоже называют спином. У одних сортов частиц число s имеет целое значение (в том числе нулевое), у других — полуцелое. Так, у электрона спин s равен ½ у фотона — единице. Все частицы с полуцелым спином называют фермионами (в честь физика Ферми), а с целым — бозонами (в честь физика Бозе).

 

Свойства бозонов и фермионов различны. Так, бозоны «дружат» друг с другом и могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (примером служат фотоны в лазерном свете). Фермионы же как бы «избегают» друг друга: в одном квантовом состоянии могут находиться не более двух фермионов, причем их спины должны быть направлены противоположно. Это утверждение называют запретом Паули.

Наличие спина у заряженных частиц приводит к дополнительному (по сравнению с классической электродинамикой) взаимодействию с магнитным полем. На опыте это дополнительное взаимодействие электронов с магнитным полем было обнаружено еще раньше, в 1925 году.