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| Wir starten von | | Wir starten von |
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| <math>\left( \mathfrak{i} {{\gamma }^{\mu }}{{\partial }_{\mu }}-m \right)\Psi =0\Leftrightarrow \left[ \mathfrak{i} \left( {{\gamma }^{0}}{{\partial }_{t}}+{{\gamma }^{1}}{{\partial }_{{{x}^{1}}}}+{{\gamma }^{2}}{{\partial }_{{{x}^{2}}}}+{{\gamma }^{3}}{{\partial }_{{{x}^{3}}}} \right)-m \right]\Psi =0</math> | | : <math>\left( \mathfrak{i} {{\gamma }^{\mu }}{{\partial }_{\mu }}-m \right)\Psi =0\Leftrightarrow \left[ \mathfrak{i} \left( {{\gamma }^{0}}{{\partial }_{t}}+{{\gamma }^{1}}{{\partial }_{{{x}^{1}}}}+{{\gamma }^{2}}{{\partial }_{{{x}^{2}}}}+{{\gamma }^{3}}{{\partial }_{{{x}^{3}}}} \right)-m \right]\Psi =0</math> |
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| # Separationsansatz{{FB|Separationsansatz}} <math>\Psi \left( \underline{x},t \right)={{e}^{-\mathfrak{i} Et}}\phi \left( {\underline{x}} \right)</math>
| | a) {{FB|Separationsansatz}} <math>\Psi \left( \underline{x},t \right)={{e}^{-\mathfrak{i} Et}}\phi \left( {\underline{x}} \right)</math> |
| {{NumBlk|:| | | {{NumBlk|:| |
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| <math>\left[ \Epsilon {{\gamma }^{0}}+\mathfrak{i} \left( {{\gamma }^{1}}{{\partial }_{1}}+{{\gamma }^{2}}{{\partial }_{2}}+{{\gamma }^{3}}{{\partial }_{3}} \right)-m \right]\phi \left( {\underline{x}} \right)=0</math> | | <math>\left[ \Epsilon {{\gamma }^{0}}+\mathfrak{i} \left( {{\gamma }^{1}}{{\partial }_{1}}+{{\gamma }^{2}}{{\partial }_{2}}+{{\gamma }^{3}}{{\partial }_{3}} \right)-m \right]\phi \left( {\underline{x}} \right)=0</math> |(1.66)|RawN=.}} |
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| : |(1.66)|RawN=.}}
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| Ansatz <math>\phi \left( {\underline{x}} \right)=\phi =const\Rightarrow \left( E{{\gamma }^{0}}-m \right)\phi =0</math>(Eigenwertgleichung) | | Ansatz <math>\phi \left( {\underline{x}} \right)=\phi =const\Rightarrow \left( E{{\gamma }^{0}}-m \right)\phi =0</math>(Eigenwertgleichung) |
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| * <math>{{\Psi }_{+}}={{e}^{-\mathfrak{i} Et}}\left( \begin{align} | | * <math>{{\Psi }_{+}}={{e}^{-\mathfrak{i} Et}}\left( \begin{align} |
| * & {{u}_{1}} \\
| | & {{u}_{1}} \\ |
| * & {{u}_{2}} \\
| | & {{u}_{2}} \\ |
| * & 0 \\
| | & 0 \\ |
| * & 0 \\
| | & 0 \\ |
| * \end{align} \right),\quad E=+m{{c}^{2}}</math>, zwei linear unabhängige Lösungen
| | \end{align} \right),\quad E=+m{{c}^{2}}</math>, zwei linear unabhängige Lösungen beschreibt ruhendes Teilchen der Masse m, Ruheenergie <math>E=m{{c}^{2}}>0</math> |
| beschreibt ruhendes Teilchen der Masse m, Ruheenergie <math>E=m{{c}^{2}}>0</math> | |
| * <u>Zwei</u> Komponenten u<sub>1</sub>, u<sub>2</sub> beschreiben Spin - ½, z.B. | | * <u>Zwei</u> Komponenten u<sub>1</sub>, u<sub>2</sub> beschreiben Spin - ½, z.B. |
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| \end{align} \right)=\left| \downarrow \right\rangle </math> | | \end{align} \right)=\left| \downarrow \right\rangle </math> |
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| : |(1.68)|RawN=.}} | | : |(1.68)|RawN=.}} → Dirac-Gleichung beschreibt Spin- ½ Teilchen. |
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| Dirac-Gleichung beschreibt Spin- ½ Teilchen.
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| * {{NumBlk|:| <math>{{\Psi }_{-}}={{e}^{-\mathfrak{i} Et}}\left( \begin{align} | | * {{NumBlk|:| <math>{{\Psi }_{-}}={{e}^{-\mathfrak{i} Et}}\left( \begin{align} |
| * & 0 \\
| | & 0 \\ |
| * & 0 \\
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| * & {{u}_{1}} \\
| | & {{u}_{1}} \\ |
| * & {{u}_{2}} \\
| | & {{u}_{2}} \\ |
| * \end{align} \right),\quad E=-m{{c}^{2}}</math>zwei linear unabhängige Lösungen |(1.69)|RawN=.}}
| | \end{align} \right),\quad E=-m{{c}^{2}}</math>zwei linear unabhängige Lösungen |(1.69)|RawN=.}} hat aber negative Energie! Interpretationsproblem wie Klein-Gordon-Gleichung. Zufriedenstellend gelöst erst in der Quantenfeldtheorie (Teilchenerzeugung und Vernichtung). |
| hat aber negative Energie! Interpretationsproblem wie Klein-Gordon-Gleichung. Zufriedenstellend gelöst erst in der Quantenfeldtheorie (Teilchenerzeugung und Vernichtung). | |
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| „Anschauliche Interpretation“ | | „Anschauliche Interpretation“ |
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| * Annahme vieler gleichartiger Spin- ½ -Teilchen der Masse m | | * Annahme vieler gleichartiger Spin- ½ -Teilchen der Masse m |
| * Annahme: Es gibt einen Vielteilchen-Grundzustand („Vakuumzustand{{FB|Vakuumzustand}}“), in dem alle Einzelteilchenzustände <math>{{\Psi }_{-}}</math>besetzt sind. | | * Annahme: Es gibt einen Vielteilchen-Grundzustand („{{FB|Vakuumzustand}}“), in dem alle Einzelteilchenzustände <math>{{\Psi }_{-}}</math>besetzt sind. |
| * Ein einziges Elektron ist dann z.B. das Vakuum +1 Teilchen in einem Zustand <math>{{\Psi }_{+}}</math>. | | * Ein einziges Elektron ist dann z.B. das Vakuum +1 Teilchen in einem Zustand <math>{{\Psi }_{+}}</math>. |
| * „Teilchen-Loch{{FB|Teilchen-Loch}}“ Anregung: Anregung von <math>{{\Psi }_{+}}</math> nach | | * „{{FB|Teilchen-Loch}}“ Anregung: Anregung von <math>{{\Psi }_{+}}</math> nach <math>{{\Psi }_{-}}</math> lässt „Loch“ im „{{FB|Fermi-See}}“ zurück: dies hat positive Ladung (fehlende negative Ladung) |
| * <math>{{\Psi }_{-}}</math>
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| * lässt „Loch“ im „Fermi-See{{FB|Fermi-See}}“ zurück: dies hat positive Ladung (fehlende negative Ladung)
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| * nützliches Konzept für die Halbleiterphysik | | * nützliches Konzept für die Halbleiterphysik |
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| Vorteile der Löcher-Theorie: | | Vorteile der Löcher-Theorie: |
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| * Vorrausage des Positrons{{FB|Positron}} (Antiteilchen zum Elektron, gleiche Masse, entgegengesetzte Ladung) | | * Vorrausage des {{FB|Positron}} (Antiteilchen zum Elektron, gleiche Masse, entgegengesetzte Ladung) |
| * Paarvernichtung / Erzeugung | | * Paarvernichtung / Erzeugung |
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| Nachteile der Löcher-Theorie: | | Nachteile der Löcher-Theorie: |
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| * Unendlicher See nicht beobachteter Elektronen | | * Unendlicher See nicht beobachteter Elektronen |
| * Beruht auf „Paul-Prinzip“ und funktionier bei der Klein-Gordon-Gleichung, die Bosonen mit Spin 0 beschreibt nicht. | | * Beruht auf „Paul-Prinzip“ und funktionier bei der Klein-Gordon-Gleichung, die Bosonen mit Spin 0 beschreibt nicht. |
| konsistente Lösung dieses Problems in der zweiten Quantisierung (letzer Teil VL): <math>\Psi </math>als Feld, das quantisiert wird.
| | → konsistente Lösung dieses Problems in der zweiten Quantisierung (letzer Teil VL): <math>\Psi </math> als Feld, das quantisiert wird. |
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| # Laufenden ebene Wellen („laufende, nicht ruhende Teilchen“)
| | b) Laufenden ebene Wellen („laufende, nicht ruhende Teilchen“) |
| Ansatz<math>{{\Psi }_{\pm }}={{e}^{\mp \left( Et-\underline{k}.\underline{x} \right)}}{{\phi }_{\pm }}\left( E,\underline{k} \right),\quad E=+\sqrt{{{k}^{2}}+{{m}^{2}}}>0</math> mit <math>{{k}_{\mu }}{{x}^{\mu }}:=Et-\underline{k}.\underline{x}\Rightarrow {{k}_{\mu }}=\left( E,-{{k}_{x}},-{{k}_{y}},-{{k}_{z}} \right)</math> | | Ansatz<math>{{\Psi }_{\pm }}={{e}^{\mp \left( Et-\underline{k}.\underline{x} \right)}}{{\phi }_{\pm }}\left( E,\underline{k} \right),\quad E=+\sqrt{{{k}^{2}}+{{m}^{2}}}>0</math> mit <math>{{k}_{\mu }}{{x}^{\mu }}:=Et-\underline{k}.\underline{x}\Rightarrow {{k}_{\mu }}=\left( E,-{{k}_{x}},-{{k}_{y}},-{{k}_{z}} \right)</math> |
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Quantenmechanikvorlesung von Brandes
Lösungen der Dirac-Gleichung (freies Teilchen) |
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Wir starten von
a) Separationsansatz
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(1.66)
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Ansatz (Eigenwertgleichung)
- (hat 2 Eigenwerte)
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(1.67)
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Diskussion:
- , zwei linear unabhängige Lösungen beschreibt ruhendes Teilchen der Masse m, Ruheenergie
- Zwei Komponenten u1, u2 beschreiben Spin - ½, z.B.
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(1.68)
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→ Dirac-Gleichung beschreibt Spin- ½ Teilchen.
zwei linear unabhängige Lösungen
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(1.69)
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hat aber negative Energie! Interpretationsproblem wie Klein-Gordon-Gleichung. Zufriedenstellend gelöst erst in der Quantenfeldtheorie (Teilchenerzeugung und Vernichtung).
„Anschauliche Interpretation“
- Annahme vieler gleichartiger Spin- ½ -Teilchen der Masse m
- Annahme: Es gibt einen Vielteilchen-Grundzustand („Vakuumzustand“), in dem alle Einzelteilchenzustände besetzt sind.
- Ein einziges Elektron ist dann z.B. das Vakuum +1 Teilchen in einem Zustand .
- „Teilchen-Loch“ Anregung: Anregung von nach lässt „Loch“ im „Fermi-See“ zurück: dies hat positive Ladung (fehlende negative Ladung)
- nützliches Konzept für die Halbleiterphysik
Vorteile der Löcher-Theorie:
- Vorrausage des Positron (Antiteilchen zum Elektron, gleiche Masse, entgegengesetzte Ladung)
- Paarvernichtung / Erzeugung
Nachteile der Löcher-Theorie:
- Unendlicher See nicht beobachteter Elektronen
- Beruht auf „Paul-Prinzip“ und funktionier bei der Klein-Gordon-Gleichung, die Bosonen mit Spin 0 beschreibt nicht.
→ konsistente Lösung dieses Problems in der zweiten Quantisierung (letzer Teil VL): als Feld, das quantisiert wird.
b) Laufenden ebene Wellen („laufende, nicht ruhende Teilchen“)
Ansatz mit
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(1.70)
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(1.70) sind Gleichundgen für Spinoren (4-Komponentige Vektoren).
Lösung wie Matrixgleichung möglich, einfacher Trick:
Insgesamt existieren also 4 linear unabhängige Lösungen mit der Basis
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(1.72)
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AUFGABE: Bestimme Normierungsfaktor N so, dass
Zeige aber Hierbei gilt