简并态物质
观念
如果等离子一再降温和增压,它最终将不可能再进一步的被压缩。这是由泡利不相容原理指出,两个费米子不能共用相同的量子态。当处于如此高压的状态,因为没有为粒子留下多余的空间,每个粒子的位置都有明确的定义。这是由于海森堡不确定原理, Δ p Δ x ≥ ħ /2 ,此处的Δ p 是粒子不确定的动量,而Δ x 是不确定的位置。这意味着粒子的动量在极度压缩下仍是极端不确定的,因为粒子仍然都位于一个非常狭窄的空间。因此, 即使等离子的温度够低 ,这些粒子的平均移动速度仍然非常快。这导致的结论是,即使已将物体压缩至极小的空间内,仍然需要巨大的力量来控制粒子的动量。
不同于古典的理想气体,其压力正比于温度( P = nkT / V ,此处的 P 是压力, V 是体积, n 是粒子的数量 -典型的原子或分子, k 是波兹曼常数,和 T 是温度),简并态物质的压力与温度的关联非常微弱,特别是,压力尚未达到零度,或即使已在绝对零度。在相对较低的密度下,完全简并态气体给出的压力是 P = K ( n / V ) 5/3 ,此处 K 取决于组成气体粒子的特性。在非常高的密度,大多数的粒子被迫进入相对论性动能量子状态,给出的压力是 P = K ′( n / V ) 4/3 ,此处的 K ′依然取决于组成气体粒子的特性 。
所有物质都存在着正常的热压力和简并压力,但在常见的气体,热压力占主导地位,而简并压力可以忽略不计。同样的,简并态物质仍然有正常的热压力,但在极高的密度下,简并压力通常占有主导性。
引人注意的简并态物质例子包括中微子、夸克、金属氢和白矮星物质。简并压力有助于固体的常规压力,但是这些通常不被认为是简并态物质,因为来自原子核的电斥力,和来自电子之间对核的遮罩,为压力提供了重大的贡献。在金属,被当作有效的导体来处理,自由电子被单独当成简并态来对待,而大多数的电子仍被视为占据量子态而受到束缚。这与一颗白矮星的所有电子都被视为占有自由粒子动量的简并态物质,形成鲜明的对比。
简并态气体
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参考资料
Cohen-Tannoudji, Claude.Advances in Atomic Physics. World Scientific. 2011: 791. ISBN 978-981-277-496-5.
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