簡併態

物理學專有名詞

簡併能級在物理學中,簡併態是指被當做同一物理狀態的多個不同精細物理態。例如在量子力學中,原子中的電子,由其能量確定的同一能級狀態,可以有兩種不同自旋量子數的狀態,該能級狀態是兩種不同的自旋狀態的簡併態。在統計物理中,簡併是指量子效應明顯的體系。含有簡併電子基態的非直線型分子都會產生薑-泰勒效應,而發生構型扭曲,例如六水合銅離子[Cu(OH2)6]2+的表象平面正方結構。

若體系的一個力學量(通常指其哈密頓量)有兩個或兩個以上線性無關的本徵函數對應於同一本徵值,則稱此體系的量子態為簡併態。這樣的體系為簡併系。

概述


統計物理學中,宏觀上由壓強、體積、溫度確定的同一宏觀熱力學狀態,在微觀上可以對應大量不同的微觀狀態,該熱力學狀態是這些微觀狀態的簡併態。簡併在量子力學和統計物理中的意義不同,在統計物理中,簡併是指量子效應明顯的體系。
簡併態
簡併態
簡單假量量,量系列線特徵向量表示,列如:,假如只有這一種表示方法,可見係數0,1,2就完全表徵了這個物理量,此時稱為非簡併,若還有其他的表示方法如:,可見此時物理量雖有某一確定的值,卻對應三種可能的狀態,(如動量,但有三種方向的運動可能),稱此時a處於簡併狀態,或a是簡併的,而簡併度為3。

基本原理


量,薛諤程夠量,量子數能描述微粒的運動狀態,比如:氫原子中的電子有:主量子數n、角量子數l、磁量子數m、自旋量子數s、自旋磁量子數(s是下標),擁有不同量子數的電子說明運動狀態不同。在沒有外加磁場的情況下,電子的能量只和n有關,而和其他4個量子數無關,但是同一個n下有n²種運動狀態(量子力學或者原子物理中的相關結論),我們就說能級En是n²度簡併的,表示同一個能級下電子最多可以有n²種運動狀態。
對於線性諧振子來說,n與能級是一一對應的,所以線性諧振子是非簡併系統。
需要指出的是,有些簡併能級在特殊情況下會變為非簡併的,比如電子在磁場中由於磁量子數的變化,能級會分裂(塞曼效應)。
狀態的簡併就是同一運動狀態可以容納很多微粒的系統,非簡併就是每一個狀態與微粒都一一對應的系統。
在統計物理中,根據微觀系統的狀態數,可分為三種系統:玻爾茲曼系統、費米系統、波色系統。前兩個就是對應於簡併與非簡併的系統;波色系統更加特別,主要是自旋量子數為零的粒子(比如光子)構成的系統。去年(2013年)諾貝爾物理學獎研究的“上帝粒子”就是一種玻色子。
對於半導體,簡併與非簡併的特性主要表現在導帶底Ec與費米能級Ef大小關係上,人們一般約定:
簡併,這需要摻雜濃度很高很高,或者溫度很低,一般的金屬都是簡併材料;
弱簡併,有時弱簡併態也歸為非簡併態;
非簡併,這時費米能級一般在禁帶中間左右。
本徵半導體的費米能級就是在禁帶中間,即。

壓力


簡併態
簡併態
簡併態是一種高密度的物質狀態。簡併態物質的壓力主要來源於泡利不相容原理,叫做簡併壓力。由於泡利不相容原理禁止不同的組成粒子佔據同一量子態,因此,減少體積就會迫使粒子進入高能態,從而產生巨大的簡併壓力。隨組成粒子的不同,分別叫做電子簡併壓力,中子簡併壓力,等等。簡併態物質包括電子簡併態,中子簡併態,金屬氫奇異物質等。
在茫茫宇宙中,簡併態是普遍存在的。質量小於1.4倍太陽質量的恆星將演化成高密、高溫、高壓的白矮星。白矮星內部原子的電子殼式結構已被高壓破壞,只有赤裸裸的原子核和脫離原來幾率軌道的自由電子氣,即簡併電子氣。簡併電子壓比理想氣體的壓力要大得多,相比之下輻射壓力與原子核壓力都不重要了。與白矮星坍塌引力抗衡的就是電子簡併壓。
恆星質量大於1.4倍太陽質量(錢德拉塞卡極限)時,電子簡併壓已不能抗衡自身引力,恆星將進一步坍塌,電子被壓入原子核,與質子結合成了中子,當中子的密度超過一定程度后,就進入中子簡併態,中子星形成。

應用


利用局域場修正的介電函數,研究了注入離子在強耦合簡併電子氣中的阻止本領和能量離散。數值結果表明在低速和高r_s值情況下,局域場修正使得阻止本領和能量離散明顯地增加。