玻色子和费米子_趣味物理-查字典物理网

玻色子和费米子

查字典物理网 2012-12-29

粒子按其在高密度或低温度时集体行为的不同可以分成两大类：一类是费米子，得名于意大利物理学家费米，另一类是玻色子，得名于印度物理学家玻色。区分这两类粒子的重要特征是自旋。自旋是粒子的一种与其角动量（粒略地讲，就是半径与转动速度的乘积）相联系的固有性质。量子力学所揭示的一个重要之点是，自旋是量子化的，这就是说，它只能取普朗克常数的整数倍（玻色子，如光子、介子等）或半整数倍（费米子，如电子、质子等）。

费米子和玻色子遵循完全不同的统计规律。前者遵循的费米-狄拉克统计，其中一个显著和特点，就是1925年瑞士科学家泡利发现的“泡利不相容原理”，即在一个费米子系统中，绝不可能存在两个或两个以上在电荷、动量和自旋朝向等方面完全相同的费米子。这就像电影院里的座位，每座只能容纳一个人。而玻色子则完全不同，一个量子态可以容纳无穷多个玻色子。因此，也只有玻色子才可能出现玻色－爱因斯坦凝聚现象。

例如，锂的两种同位素锂6和锂7分别为费米子和玻色子。图片分别显示在810、510和240nk时锂6和锂7原子气和原子云照片。我们可以看到，锂7（左），随着温度的降低所占的尺寸变小，也就是发生了凝聚，而锂6（右）的尺寸则保持稳定，不发生凝聚。这是因为泡利不相容原理的限制，使两个费米子不可能在同一时间占据同一个空间。正因如此，白矮星最终只能在引力作用下坍塌到一个极限尺寸而不再进一步缩小。

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