Перегляд вихідного коду сторінки Бозон

{{універсальна картка}}

[[Файл:Symmetricwave2.png|міні|Симетрична хвильова функція двох бозонів у нескінченній квадратній потенційній ямі]]

'''Бозо́н''' (від прізвища фізика [[Шатьєндранат Бозе|Шатьєндраната Бозе]]<ref>{{cite web
 |url         = http://www.merriam-webster.com/dictionary/boson
 |title       = boson (dictionary entry)
 |publisher   = Merriam-Webster's Online Dictionary
 |accessdate  = 2010-03-21
 |archiveurl  = https://www.webcitation.org/6HdSjMMe0?url=http://www.merriam-webster.com/dictionary/boson
 |archivedate = 2013-06-25
 |deadurl     = no
}}</ref>)&nbsp;— [[частинка]] або [[квазічастинка]] з цілим значенням [[спін]]у (0, 1, 2, ... у [[Одиниці Планка|одиницях Планка]]). Одна з двох великих груп, на які поділяються всі відомі частинки, як прості так і композитні (другу групу складають частинки з [[Напівціле число|напівцілим]] спіном — [[ферміони]]). Хвильова функція бозонів симетрична щодо перестановки частинок, тому вони підпорядковуються [[Статистика Бозе-Ейнштейна|статистиці Бозе&nbsp;— Ейнштейна]]: у одному квантовому стані може перебувати необмежена кількість однакових частинок. 

До бозонів належать: [[фотони]], [[W і Z бозони]], [[мезони]] і антимезони, нейтральні атоми водню або гелію-4, [[фонон]]и тощо. 

На відміну від ферміонів, елементарні бозони не мають античастинок<ref>[https://www.fnal.gov/pub/inquiring/questions/bosons_antiparticle.html Bosons and Antiparticles] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20200130143339/http://www.fnal.gov/pub/inquiring/questions/bosons_antiparticle.html |date=30 січня 2020 }}{{ref-en}}</ref>. Відповідно, кількість бозонів не зберігається, тоді як [[Баріонний заряд|баріонне]] і [[лептонне число]] — не змінюються при реакціях елементарних частинок.

== Деякі класи бозонів ==
=== Елементарні бозони ===
{{main|Калібрувальні бозони}}
Всі носії [[Фундаментальні взаємодії|фундаментальних взаємодій]] є бозонами, і всі відомі елементарні бозони — носії фундаментальних взаємодій. До цього класу належать: фотони, [[глюони]] (9 типів), W<sup>±</sup> і Z<sup>0</sup> бозони, [[бозон Хіггса]] і гіпотетичний носій гравітаційної взаємодії [[гравітон]].

З бозонів стандартної моделі, один (бозон Хіггса) є скалярним — має спін 0, решта — векторні (мають спін 1). Гравітон теоретично є тензорним — має  спін 2.

=== Адрони ===
Кварки мають спін ½, тому частинки, що складаються з парної кількості кварків є бозонами. Такі частинки називають мезонами. Більшість відомих мезонів складаються з кварка і антикварка, проте відомі і екзотичні мезони, що складаються з чотирьох кварків ([[тетракварк]]и). Гіпотетично передбачені мезони, що не містять кварків взагалі, а є лише зв'язанним станом кількох глюонів, проте існування таких станів ще не підтверджено.

=== Ядра атомів ===

Оскільки протони і нейтрони мають напівцілий спін, парна їх кількість має цілий спін. Тому ядра парно-парних і непарно-непарних нуклідів є бозонами. Найлегшими ядрами-бозонами є [[дейтерій]] і [[гелій-4]], найважчими — [[теннессин]]-294 і [[оганесон]]-294.

Парно-парні ядра є найстабільнішими ізотопами, тоді як непарно-непарні — навпаки, найбільш нестабільними. Ядра з напівцілим спіном займають проміжну позицію<ref>[http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/c.htm Долина ядерной стабильности] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161129130601/http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/c.htm |date=29 листопада 2016 }}{{ref-ru}}</ref>.

Якщо ядро перебуває в збудженому стані, нуклони можуть мати додатковий момент, пов'язаний з орбітальним рухом, проте якщо ядро має цілий спін, то і у збудженому стані спін такого ядра залишиться цілим.

=== Атоми ===
Спін атома складається зі спіна ядра і сумарного спіна і орбітального моменту всіх його електронів. Найпростіший з атомів — атом водню, що складається з одного протона і одного електрона, є бозоном.

=== Квазічастинки ===
У багатьох випадках коливанням різних полів у твердому тілі можна поставити у відповідність частинки (за принципом корпускулярно-хвильового дуалізму). Такі поля не існують окремо від тіла, у якому вони розповсюджуються, тому відповідні частинки називають [[квазічастинки|квазічастинками]]. Багато квазічастинок, такі як [[фонон]] і [[магнон]] є бозонами. Також важливими квазічастинками-бозонами є зв'язаний стан електронів [[куперівська пара]] — два електрона, що об'єднуються завдяки [[Електрон-фононна взаємодія|взаємодії з фононами]] (ці частинки відіграють важливу роль у механізмі [[Надпровідність|надпровідності]]) або [[екситон]] — зв'язаний стан електрона і [[Дірка (квазічастинка)|дірки]].

=== Гіпотетичні частинки ===
Багато розширень стандартної моделі  передбачають існування нових бозонів. 
* [[Темна матерія]] може складатися з невідомих нам легких бозонів — кандидатом на цю роль є [[аксіон]]<ref>[https://www.quantamagazine.org/why-dark-matter-might-be-axions-20191127/ Top Dark Matter Candidate Loses Ground to Tiniest Competitor] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20200810122512/https://www.quantamagazine.org/why-dark-matter-might-be-axions-20191127/ |date=10 серпня 2020 }}{{ref-en}}</ref>. 
* [[Суперсиметрія|Суперсиметричні теорії]] передбачають існування [[слептон]]ів — суперсимметричних партнерів лептонів. Такі частинки носять відповідні назви селектрон, смююн і т.д. Якщо слептони існують, то вони є надзвичайно важкими.
* [[Теорія великого об'єднання]] передбачає існування єдиної взаємодії, в яку зливаються слабка, сильна і електромагнітна взаємодія за надвисоких енергій. Носіями такої взаємодії є [[X та Y бозони]]. 
* {{не перекладено|Гексакварки|||Hexaquark }} — гіпотетичні мезони, що складаються з шести кварків. Наразі існує кілька кандидатів на таку частинку, проте вони все ще не є підтвердженими. Деякі варіанти гексакварків є дуже стабільними, тому теж розглядаються як кандидати у темну матерію<ref>[https://www.livescience.com/sexquarks-could-explain-dark-matter.html Oddball sexaquark particles could be immortal, if they exist at all] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20200227051556/https://www.livescience.com/sexquarks-could-explain-dark-matter.html |date=27 лютого 2020 }}{{ref-en}}</ref>.

== Системи бозе-частинок ==
=== Бозе-газ ===
Розподіл бозонів по енергетичних рівнях може бути отриманий з розподілу [[Розподіл Ґіббса|розподілу Ґіббса]]. Оскільки на бозони не діє [[принцип Паулі]], їх розподіл по енергетичних рівнях для ідеального газу можна отримати, якщо додати умови про дискретність можливих енергетичних станів і неможливість розрізнення частинок.
:<math>\bar n_k=\frac{1}{e^{\frac{\varepsilon_k-\mu}{kT}}-1}</math>,
де n<sub>k</sub> — кількість частинок, що мають енергію ε<sub>k</sub>, μ — [[хімічний потенціал]], k — [[стала Больцмана]] а Т — температура.

Цей вираз називається статистикою Бозе-Ейнштейна. Варто зауважити, що для бозе-газу μ завжди менше або дорівнює нуля (інакше формула давала б від'ємні значення кількості частинок для деяких енергій).

Можна порівняти цей розподіл з розподілом для газу ферміонів

:<math>\bar n_k=\frac{1}{e^{\frac{\varepsilon_k-\mu}{kT}}+1}</math>,

і [[Розподіл Максвелла — Больцмана|розподілом Максвелла-Больцмана]] для класичних частинок: 

:<math>\bar n_k=e^{\frac{\mu-\varepsilon_k}{kT}}</math>,

Як можна побачити, розподіли стають однаковими, якщо експонента у знаменнику значно більша за одиницю.

Використовуючи формули розрахунку хімічного потенціалу, можна записати критерій допустимості використання класичних формул для опису квантових газів{{sfn | Левич | 1969 | с=647}}:

<math>e^{-\frac{\mu}{kT}}=\frac{V}{N}\left(\frac{2\pi mkT}{h^2}\right)^{3/2} \gg 1</math>,

Тобто, газ може перестати описуватись класичними формулами через низьку температуру, високий тиск, або легкість частинок. Такий газ називається [[вироджений газ|виродженим]]. 

Характерною особливістю бозе-газів є [[Конденсація Бозе — Ейнштейна|бозе-конденсація]] — перехід макроскопічної кількості атомів у стан з нульовою енергією.

Приклади реальних бозе-газів, де квантові ефекти мають значний вплив:
* Газ, що складається з бозе-атомів за наднизьких температур
* Фотонний газ (такий газ завжди є виродженим)
* Фононний газ у бозе-ейнштейнівському конденсаті

Неідеальний бозе-газ, атоми якого взаємодіють, описується за допомогою {{не перекладено|рівняння Гросса–Пітаєвського|||Gross–Pitaevskii equation }}.

=== Бозе-рідина ===
У деяких випадках, бозе-конденсація може відбуватися у рідині а не у газі. Найважливішою особливістю бозе-рідин є [[надплинність]]. Прикладами таких систем є<ref>[https://web.math.princeton.edu/~lieb/boulder-lectures.pdf The Bose fluid] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20210420143357/https://web.math.princeton.edu/~lieb/boulder-lectures.pdf |date=20 квітня 2021 }}{{ref-en}}</ref>:
* [[Надплинний гелій-4|Рідкий гелій-4]]
* Газ [[Куперівська пара|куперівських пар]] у металах у стані [[надпровідність|надпровідності]]

== Вторинне квантування ==
Для [[оператори народження та знищення|операторів народження та знищення]] бозонів виконуються комутаційні співвідношення:
: <math> \hat{a_i} \hat{a_j}^\dagger -\hat{a_j}^\dagger \hat{a_i} = \delta_{ij}</math>
: <math> \hat{a_i} \hat{a_j} -\hat{a_j} \hat{a_i} = 0</math>
: <math> \hat{a_i}^\dagger \hat{a_j}^\dagger -\hat{a_j}^\dagger \hat{a_i}^\dagger = 0</math>

== Історія ==
Назву "бозон" запропонував Поль Дірак на честь індійського фізика Шатьєндраната Бозе, який першим описав розподіл енергії бозонного газу. Бозе вивів свій розподіл для фотонного газу у 1923 році, намагаючись вивести закон випромінювання Планка для [[абсолютно чорне тіло|абсолютно чорного тіла]] з принципів квантової теорії<ref>[https://www.livehistoryindia.com/cover-story/2018/06/10/the-man-behind-the-boson-particle The Man Behind the Boson Particle] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20201126211435/https://www.livehistoryindia.com/cover-story/2018/06/10/the-man-behind-the-boson-particle |date=26 листопада 2020 }}{{ref-en}}</ref>.

== Примітки ==
{{reflist}}

== Див. також ==
* [[Ферміон]]
* [[Теорема Паулі]]

== Література ==
* Глосарій термінів з хімії // Й.&nbsp;Опейда, О.&nbsp;Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л.&nbsp;М.&nbsp;Литвиненка НАН України, Донецький національний університет.&nbsp;— Донецьк : Вебер, 2008.&nbsp;— 758&nbsp;с.&nbsp;— ISBN 978-966-335-206-0
* {{книга
|автор        = [[Ландау Лев Давидович|Ландау Л. Д.]], [[Ліфшиць Євген Михайлович|Лифшиц Е. М.]]
|заголовок    = Теоретическая физика
|частина      = Статистическая физика. Часть 1
|том          = 5
|рік          = 2005
|видавництво  = Физматлит
|місто        = {{Comment|М.|Москва}}
|сторінок     = 616
}}
* {{книга
|автор        = В.Г. Левич
|заголовок    = Курс теоретической физики
|том          = 1
|видання      = 2
|рік          = 1969
|видавництво  = Наука
|місто        = {{Comment|М.|Москва}}
|сторінок     = 912
|ref          = Левич
}}

{{частинки}}

[[Категорія:Бозони]]