電子簡併壓強是由泡利不相容原理產生的力,說明兩個費米子不能同時佔有相同的量子態,這種力量也是物質可以被壓縮的極限。电子简并压强是恆星物理中重要的物理度量,其与引力的平衡造就了白矮星。
理論
與電子簡併壓力相關的解釋是海森堡測不準原理,它的狀態是:
:\Delta x \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}
式中,\hbar是狄拉克常數(約化普朗克常數),\Delta x 是位置的不确定性,而\Delta p動量的不确定性。
当材料被压缩时,內部電子的位置不确定性\Delta x 會減少。依據不確定性原理,電子動量的不確定量\Delta p 將增大。因此,無論溫度降至多低,因为动量的不确定性,電子依然會因而以海森堡速度運動,並貢獻出壓力。當電子由“海森堡速度”產生的壓力凌駕於熱運動之上時,電子就進入簡併狀態,這種材料就成為簡併態物質。
電子簡併壓力在恆星質量未超過錢德拉塞卡極限(1.4太陽質量)前能阻止核心的塌縮,這就是阻止白矮星塌縮的壓力。質量超出這個極限的晚期恆星將會因為電子簡併壓力不足以抵抗重力,而繼續塌縮形成中子星或黑洞。
从费米气体理论推导压强
电子是费米子,遵循泡利不相容定理和费米-狄拉克统计。一般来讲,对于一群不相互作用的费米子(也称为费米气体),每个粒子可以被单独的处理,单个粒子的能量仅和动量有关:
E = \frac{p^2}{2m}
其中p是粒子的动量,m是粒子的质量。
在绝对零度时,简并压由这个式子给出:
P=\frac{2}{3}\frac{E_{tot}}{V}=\frac{2}{3}\frac{p^5_F}{10{\pi}^2 m{\hbar}^3}
其中V是整个系统的体积,E_{tot}是整个系统的能量。m为粒子质量。对于电子简并压,m = m_e(电子质量)。费米动量可以由费米能量进行求解,因此电子简并压力由下式给出:
P_e=\frac{(3{\pi}^2)^{\frac{2}{3}}{\hbar}^2}{5m_e}{\rho_e}^{\frac{5}{3}}
其中{\rho_e}是自由电子的数密度。对于金属,可以证明上式在低于费米温度(约等于10^6开尔文)近似成立,当粒子能量足够高时,必须要考虑相对论效应。此时,电子简并压力与{\rho_e}^{\frac{4}{3}}成正比。
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- 簡併態物質
*量子统计
参考资料
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