Положение протонов и нейтронов в ядре

Согласно статье Википедии об атомном ядре , подписанной на оттиске атома гелия, говорится, что

На этом изображении частицы показаны отдельными, тогда как в реальном атоме гелия протоны наложены друг на друга в пространстве и, скорее всего, находятся в самом центре ядра, и то же самое верно для двух нейтронов. Таким образом, все четыре частицы, скорее всего, находятся в одном и том же пространстве, в центральной точке.

Как это возможно? Не нарушает ли это принцип запрета Паули?

Очень актуально: physics.stackexchange.com/q/36469 и ссылки в нем.
Почему это нарушает принцип Паули? Даже при условии, что они находятся в одном и том же пространстве (что бы это ни значило), им все равно не обязательно иметь одно и то же квантовое состояние (не говоря уже о том, что разные типы частиц по определению имеют разные состояния).
Справедливо ли это утверждение для ядер тяжелее гелия? Я бы подумал, что если у вас будет более двух нуклонов каждого типа, вам придется иметь по крайней мере один нуклон в состоянии с ℓ ≥ 1 , и такие состояния имеют волновую функцию, стремящуюся к нулю в начале координат (или, по крайней мере, некоторые из них). Или моя интуиция с атомных орбиталей не распространяется на ядерные орбитали?
Один из способов, которым мой старшекурсник, профессор ядерной физики, дал нам понять это, заключался в том, что ядро ​​слишком плотное, чтобы поддерживать представление об отдельных нуклонах, а скорее представляет собой своего рода суп из кварков, глюонов и пионов. Это включало множество виртуальных частиц для учета различий в массах, энергий связи и т. Д. И т. Д., Так что, возможно, это не очень хорошо.
@MichaelSeifert: Ваша интуиция по атомным орбиталям может быть применена к ядерным орбиталям, но с некоторыми оговорками. См . Модель ядерной оболочки . Даже самое простое составное ядро, дейтрон, сложно. См. Изоспиновое синглетное состояние дейтрона .
Если бы мне пришлось сделать предположение, проблема здесь заключается в том, чтобы представить ядро ​​как набор бильярдных шаров двух разных цветов, сложенных вместе. Эта картина не точна во многом в том же смысле, в каком неточна модель атомной планеты: волновые функции в целом не должны удовлетворять такой картине с произвольной точностью (классическая физика), которую вы получили бы, если бы можно было точно определить положение. набора нуклонов/электронов. Позиция является НАБЛЮДАЕМОЙ в квантовой механике. Положение/импульс — это не то, что характеризует состояние частицы в квантовой механике. Я думаю, что это источник путаницы.

Ответы (3)

Это не нарушает принцип исключения, потому что принцип исключения просто утверждает, что не может быть более одного фермиона в одном и том же квантово-механическом состоянии . В случае двух протонов и двух нейтронов разные виды частиц не исключают друг друга с самого начала (поскольку состояние нейтрона отличается от состояния протона).

Кроме того, то, что они имеют одинаковое математическое ожидание для положения, не означает, что они находятся в одном и том же состоянии. Состояния могут совпадать со своими ожидаемыми значениями для одних наблюдаемых, но не для других. В этом конкретном случае состояния, вероятно, различаются своим спином (один протон / нейтрон имеет «спин вверх», а другой «спин вниз»).

Как это связано с разнообразием форм ядер?
@Zwolf Какую «форму» вы имеете в виду? (Если у вас есть дополнительный вопрос, который не является просто разъяснением, пожалуйста, задайте его отдельно как новый вопрос, а не комментарий здесь)
Если нейтроны и протоны занимают одинаковые позиции, не должны ли формы ядер с равным количеством протонов и нейтронов быть одинаковыми (не уверен, что это должен быть отдельный вопрос)?
Иметь одинаковые ожидания — это не то же самое, что находиться в одном и том же пространстве. В качестве макроскопического примера рассмотрим стул, который используют два сотрудника в разные смены. Один из них половину времени проводит в кресле, другой — в кресле. Если вы хотите найти одного из них, их ожидаемое положение — «в кресле». Квантовая механика делает такие ситуации еще проще, но даже в макроскопическом мире вам это сойдет с рук.
@CortAmmon под «нахождением одного из них» вы имеете в виду любого из них, а не конкретного ? В противном случае это не имеет для меня большого смысла
@htmlcoderexe Конкретный тоже работает. Если вы хотите знать, где находится Боб, 50% времени он сидит в кресле, а в остальное время его положение рассеяно где-то еще. (Технически это не совсем ожидаемо, но было бы тривиально превратить его в одно, если бы вы действительно этого хотели)

Принцип запрета Паули гласит, что два фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Два фермиона могут иметь пространственные волновые функции, которые перекрываются с ненулевыми значениями в общих местах. Это нормально — дело в том, что все пространственные волновые функции (вместе со спиновыми состояниями) не могут быть одинаковыми для обеих частиц.

Таким образом, все четыре частицы, скорее всего, находятся в одном и том же пространстве, в центральной точке.

Это не означает, что частицы полностью перекрываются. Это означает, что волновые функции всех частиц сосредоточены вокруг общей центральной точки. Принцип Паули этого не запрещает.

Однако дело не в этом. Даже если бы они находились точно в одном и том же пространственном положении (что бы это ни значило), общие состояния все равно различны.
@GennaroTedesco: Но они никогда не находятся в одном и том же точном пространственном положении, независимо от того, какую интерпретацию квантовой механики вы принимаете! Поэтому следует отметить, что идентичные волновые функции не означают перекрытия в обычном смысле.
Опять же, суть вопроса не в этом. Дело в том, что даже если бы действительно было перекрытие позиций (хотя это и невозможно), это все равно не означало бы, что квантовые состояния одинаковы. Мое замечание состоит в том, что положение (что бы оно ни значило) не определяет все квантовое состояние.
Положение протонов и нейтронов в ядре
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v