中子简并压力

更新时间:2023-04-03 23:12

中子简并压力是量子简并压力的一种常见现象的具体表现。泡利不相容原理不允许两个相同的半整数自旋的粒子(电子、中子或其他费米子)同时占据相同的量子态,因此产生了一种抵抗压缩的压力。

简并压力简介

简并压力(Degeneracy pressure)是指有一些粒子(例如电子、中子、质子等)具有排它性,它们不能占据空间中的同一个位置。依据是量子力学(Quantum Mechanics)的泡利不相容原理(Pauli's exclusion principle)。简单来说,有一些粒子(比如电子中子质子等)是有排它性的,它们不能占据空间中的同一个位置,就好像一群顽皮小孩,你要他们靠在一起,他们总会推推撞撞,要把旁边的小孩赶得远远的,要他们靠得越近,要用的力量也越大,这种粒子间的相互排斥力,便称为简并压力。

白矮星

在恒星质量小于钱德拉塞卡极限(Chandrasekhar Limit)即1.44倍的太阳质量时,当恒星垂死时,由于内部没有燃料产生足够的辐射压力来抵消自身的引力时那么自身就会发生引力坍缩(Gravitational collapse),此时电子简并压力(Electron degeneracy pressure)能支撑起自身的重量,于是最终形成白矮星(White dwarf)。

当恒星的质量大于1.44倍太阳质量小于3.2倍太阳质量时,如果发生引力坍缩,那么连电子简并压力(Electron degeneracy pressure)也不足以支撑起恒星自身的重量,电子被迫压缩和核内质子合并成中子,直到中子之间产生的中子简并压力(Neutron degeneracy pressure)能支撑起自身的重量,形成中子星(Neutron star)。

若恒星质量再大,达到3.2倍以上的太阳质量,于是连中子简并压力(Neutron degeneracy pressure)也不能支撑恒星自身的重量,到这时,自然界已再没有自然力量可和引力抗衡,物质只能无限塌缩,于是就坍缩成夸克星或者是黑洞(Black hole)。

中子简并压力是由泡利不相容原理产生的。在恒星物理中,它造就了中子星的存在。

简并压力不是“力”,它是交换相互作用(Exchange interaction),但它和我们平常说的四大基本力的相互作用完全是两码事,它并不需要交换媒介粒子。交换相互作用只发生在全同粒子之间,本质上是一种波函数的干涉效应,不涉及任何“力”。它类似于分子热运动,温度升高时,分子热运动加剧,物体体积增大,这时我们并不能认为是某种力使该物体体积增大。所以我们可以将电子简并压力想象为由“电子热运动”产生的“电子气压”。

气压是由大量分子碰撞产生的统计性质,公式为

能量 E 是气体分子的内能

简并压是叠加在气压上面的效果,压力公式一样,区别在于 E 是粒子的费米动能

因此电子简并压力是:

中子简并压力也于此同理。

简并中子压力之-内部结构模型图

补充说明

中子简并压力并不像是经典力学里面所说的一种力。费米子遵循泡利不相容原理,但玻色子无此限制,粒子出现的概率幅的演化遵从薛定谔方程,抛弃“力场”的概念,交换媒介粒子传递相互作用,在泡利不相容原理中并没有所谓的“力”,这里有一个概念叫交换相互作用(Exchange interaction),但它和我们平常说的四大基本力的相互作用完全是两码事,它并不需要交换媒介粒子。交换相互作用只发生在全同粒子之间,本质上是一种波函数的干涉效应,不涉及任何“力”。一个量子态上只能容纳一个费米子,它就是量子力学的“性质”,也可理解为就是“两个粒子处于同一个量子态的概率为零”。

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