狄拉克空穴理論

狄拉克空穴理論，是狄拉克根據泡利不相容原理提出的。所謂空穴，就是我們現在所知道的正電子。他認為所謂真空狀態並非真的空無一物，而是所有負能態都被電子占有，形成了負能態的電子海，同時所有正能態都未被電子占有。當海中的電子受激發躍遷到正能態上時，便出現了正負電子對的激發態。

基本介紹

• 中文名：狄拉克空穴理論
• 外文名：Dirac Hole Theory
• 領域：物理
• 學科：量子力學
• 提出者：狄拉克
• 基礎：泡利不相容原理

概念

狄拉克空穴理論，是狄拉克根據泡利不相容原理提出的。所謂空穴，就是我們現在所知道的正電子。他認為所謂真空狀態並非真的空無一物，而是所有負能態都被電子占有，形成了負能態的電子海，同時所有正能態都未被電子占有。當海中的電子受激發躍遷到正能態上時，便出現了正負電子對的激發態。1932年，安德森從宇宙射線中發現了正電子的存在，證實了狄拉克的預言。狄拉克還與費米分別獨立地提出自旋為半整數的粒子所服從的統計分布規律，即費米-狄拉克統計。這一統計已經成為研究基本粒子物理的基礎。

空穴

半導體中價帶一旦缺了少數電子就會產生一定的導電性。這種近滿帶的情形在半導體問題中有著特殊的重要性。當價帶頂附近有空狀態k時，整個能帶中的電流，以及電流在外電磁場作用下的變化，完全如同存在一個帶正電荷q和具有正質量|m|、速度v (k)的粒子的情況 一樣。這樣一個假想的粒子稱為空穴。

空穴的波矢等於價帶中逸失電子波矢的負值：k_h=-k_e

空穴的能量等於價帶頂逸失電子能量的負值，即：

E_h(k_h)=-E_e(k_e)

空穴的速度與價帶中逸失電子的速度相等：

v_k(k_h)=v_e(k_e)

空穴的有效質量等於價帶頂逸失電子有效質量的負值：m_h=-m_e

空穴的運動方程是帶正電荷粒子的運動方程。空穴概念的引入使得價帶頂缺少一些電子的問題和導帶底有少數電子的問題十分相似，這兩種情況下產生的導電性分別稱為空穴導電性和電子導電性。對於晶體半導體材料可以用測量Hall係數的正負來判定其導電性類別。

不相容原理

不相容原理亦稱互克原理。關於模糊性和複雜性相互關係的基本命題。這個原理斷言：隨著系統複雜性的增加，人們做出關於系統行為精確而有意義的陳述的能力將降低。越過一定閾值，精確性和適合性將成為相互排斥的概念。不相容原理表明對事物的精確描述和有意義的描述並不總是一致的。精確的描述是手段而非目的，科學的描述必須能夠反映對象的真實特性。不相容性原理告誡人們，面對複雜的、特別是人的因素起重要作用的系統問題時，應放棄單純追求高度精確化定量化，而應轉向使用模糊的近似的、但能反映對象真實特性的描述。

1925年由奧地利科學家泡利 (W.Paulli)提出，是微觀粒子運動的基本規律 之一。其內容是： 在一個原子中不可能有兩個或更 多的電子處在完全相同的狀態 (即它們的四個量子 數一一相同) 。套用這一規律，可以解釋原子內部 的電子分布狀況和元素周期律。後來發現這一原理 具有更普遍的意義，可以表述為： 在由性質相同的 費米粒子組成的系統中，不能有兩個或更多個粒子 處於完全相同的狀態。

狄拉克

英國現代理論物理學家，量子力學創始人之一。生於英國布里斯托城。父親自小注意培養其在數學和自然科學方面興趣。童年時就智力過人，中學跳級讀完。16歲入布里斯托大學攻讀電力工程。1921年獲學士學位。畢業後，適逢英國戰後經濟蕭條，難以覓職，只得再回母校學習數學兩年。此後，考取劍橋聖約翰學院數學研究生。1926年，獲博士學位。攻讀博士時，即在導師福勒(R.H.Fowler)影響下，接受有關量子力學創建伊始的新思想。而且，以卓有成效的研究促進量子力學的創立與發展。在研究方法上，不僅樂於繼承，而且勇於創新。1928年建立的相對論電子波動方程(也稱狄拉克方程)就是經過對薛丁格方程和克萊因-高登方程進行改造而得到的。這一新的數學模型的建立大大地豐富了現代人的時空觀和物質觀。他運用科學想像的方法，又預言了正電子的存在。這一預言，1932年8月2日由美國科學家安德森從宇宙射線觀測中得以證實。1933年，被授予諾貝爾獎。同年，又提出電荷重整化。1934年，提出場算符乘積的真空期待值概念;1936年，建立相對論性高自旋點粒子波動方程。除了善於運用自己高超的數學運算能力在研究方法上尋求突破外，狄拉克留下的磁單極子假說和大數假說，對現代物理學的發展影響巨大。磁單極子假說是1931年提出，從麥克斯韋電磁場方程應對電和磁有完全對稱性要求出發，認為既有電荷，也應有磁荷，即磁單極子。大數假說，1937年提出，認為在類似質子和電子之間靜電力與它們之間引力之比約為10，及宇宙半徑與電子半徑之比也約在10數量級等這些表面上看來毫不相關的量所存在的一致性背後，肯定有某種自然規律在起作用。從方法論上說，這兩大驚人的科學假說的提出，是諸如類比、比較、綜合和想像等多種科學方法整合的結果。主要著作是《量子力學原理》，發表於1930年。1939年，英國皇家學會授予他皇家獎章和科普利獎章。1969年起，擔任劍橋大學榮譽教授。1971年，任美國佛羅里達州立大學物理學教授。

泡利

奧地利理論物理學家。諾貝爾物理學獎獲得者。生於維也納。1919年入慕尼黑大學師承索末菲攻讀物理學，1921年獲博士學位，20歲時為《數學科學百科全書》撰寫的相對論方面的綜述文章，得到愛因斯坦的稱讚，至今仍被看作相對論方面的經典著作之一。1921年到1922年間到哥廷根大學當玻恩教授的助手。以後又與海森伯一起應玻爾之邀到哥本哈根理論物理研究所工作。1928年赴蘇黎世綜合技術學院任理論物理學教授。二次大戰期間，為逃避法西斯的迫害，泡利應邀到美國普林斯頓大學高級研究所工作。1946年加入美國籍。以後又回到蘇黎世直至逝世。泡利在量子力學、量子場論和基本粒子理論方面都很有成就。特別是“泡利不相容原理”的發現和β衰變中的中微子假說，是他在理論物理學研究中的重大成就。並因此而獲1945年諾貝爾物理學獎。不相容原理是泡利於1925年提出的。他根據光譜實驗結果的分析，引進了描述電子能態的第四個量子數(後來叫做自旋量子數)，並指出這個量子數只可能取+1/2或-1/2的數值。並進一步提出了不相容原理：在一個原子中，不能容許有兩個以上的電子處於完全相同的量子態。套用這個原理可以很好解釋原子中電子的分布狀況和元素周期律。20世紀20年代末，人們在研究原子核的β衰變中，發現總有一些能量和動量消失了。當時許多人就認為這些實驗表明能量和動量並不是普遍守恆的，甚至連玻爾也持這種觀點。泡利在1931年提出，可能存在著一種當時還不知道的極其微小的粒子，帶走了這部分能量和動量，他還預言這種粒子不帶電荷，質量極微，但是穩定。後來費米把這種粒子叫做中微子，並發展了有關中微子的理論。1956年，人們才由實驗證實了中微子的存在，並證實泡利關於中微子性質的預言也是正確的。