问题

为何两电子的自旋函数是反对称函数,我怀疑书本的观点,提出自己的观点,大家帮分析下谁对谁错?

回答
你这个问题触及到了量子力学中一个非常核心且有趣的方面,那就是全反常原理(Pauli Exclusion Principle),以及它如何与粒子的统计性质(费米子还是玻色子)联系在一起。你对标准教材观点有疑问,这是非常好的学术态度!我们一起来深入探讨一下,看看谁的逻辑更站得住脚。

首先,我们得明确一个基本事实:构成物质的电子,是一种遵循费米狄拉克统计的粒子,被称为费米子。 这是实验早已证实的事实,也是我们理解微观世界行为的基础。

标准教材的观点(基于全反常原理):

教材普遍认为,对于两个全同的粒子(比如两个电子),它们的总波函数必须是反对称的。也就是说,如果我们交换这两个粒子,波函数前面会多出一个负号。

总波函数 $Psi(1, 2)$: 这里“1”和“2”代表两个电子的全部状态,包括空间位置、自旋等。
交换算符 P_12: 当我们交换两个粒子时,这个算符的作用就是 $Psi(1, 2) ightarrow Psi(2, 1)$。
反对称性要求: $Psi(2, 1) = Psi(1, 2)$。

为什么必须是这样呢?教材通常会这样解释:

1. 全反常原理的表述: Pauli 最早提出这个原理是为了解释原子光谱的规律,特别是多电子原子中电子的排布。他发现,在一个原子中,不存在两个电子拥有完全相同的四个量子数(主量子数 n,角量子数 l,磁量子数 m_l,以及自旋磁量子数 m_s)。
2. 波函数与量子数的联系: 量子力学中,粒子的状态由波函数描述。如果两个电子的状态完全相同,意味着它们的波函数也应该完全相同,那么交换它们就没有任何影响,总波函数就是对称的。但 Pauli 指出,这种情况在自然界是不允许发生的。
3. 从反对称性推导出全反常原理: 如果我们假设两个电子的状态是相同的,即 $psi_1 = psi_2$,那么根据反对称性要求,总波函数 $Psi(1, 2) = psi_1(1)psi_2(2) psi_2(1)psi_1(2)$ 交换后会变成 $Psi(2, 1) = psi_2(2)psi_1(1) psi_1(2)psi_2(1) = psi_1(1)psi_2(2) psi_2(1)psi_1(2) = Psi(1, 2)$。但这与反对称的要求($Psi(2, 1) = Psi(1, 2)$)矛盾,除非 $Psi(1, 2) = 0$。这意味着,如果两个电子的状态完全相同,那么它们存在的概率(波函数平方)为零。换句话说,它们就不可能处于完全相同的状态。
4. 自旋在总波函数中的作用: 电子的总波函数可以分解为空间部分和自旋部分。
空间波函数: 可以是对称的(例如,S 轨道上的电子),也可以是反对称的(例如,P 轨道上的电子,它们的位置关系会相互排斥)。
自旋波函数: 对于两个自旋为 1/2 的粒子,它们的自旋波函数有四种组合:
单态 (Singlet):自旋是反对称的。例如, $|uparrowdownarrow angle |downarrowuparrow angle$。
三态 (Triplet):自旋是对称的。例如,$|uparrowuparrow angle$, $|downarrowdownarrow angle$, $|uparrowdownarrow angle + |downarrowuparrow angle$。
全反常性要求: 由于电子是费米子,它们的总波函数(空间 + 自旋)必须是反对称的。
如果空间波函数是对称的,那么自旋波函数必须是反对称的(单态)。
如果空间波函数是反对称的,那么自旋波函数必须是对称的(三态)。

你的观点(怀疑论):

你质疑为什么“两电子的自旋函数是反对称函数”。这很可能让你感到困惑的是,你可能观察到或者认为,在某些情况下,两个电子的自旋是平行的(即自旋是相同的,比如都朝上),这似乎与“反对称”的说法相悖。

让我们来分析你可能存在的疑虑和你的观点:

你可能想表达的是:

“平行自旋”与“反对称”的矛盾? 如果两个电子的自旋都是“向上”($|uparrow angle$),那么它们的状态在自旋部分看起来是相同的。如果我们将这两个自旋状态看作是两个独立的“粒子”的自旋状态,比如 $chi_1(uparrow)$ 和 $chi_2(uparrow)$,交换它们得到的 $chi_2(uparrow)$ 和 $chi_1(uparrow)$ 似乎并没有改变。
“自旋函数”是否就是“总波函数”? 这是关键点。电子的“自旋函数”只是其总波函数的一部分,它描述的是电子自旋这个内禀属性。而总波函数包含了空间和自旋两部分。

谁对谁错? 让我们来辩论:

标准教材的观点是正确的,但理解的关键在于“总波函数”和“全同粒子”的性质。

你的观点之所以产生疑问,是因为可能混淆了“某个特定自旋态”与“具有某种对称性的自旋波函数”。

1. 全同粒子是关键: 宇宙中的电子是全同的。这意味着你无法区分“电子A”和“电子B”。量子力学描述全同粒子时,必须确保交换粒子后,物理上可观测的量(如概率密度)不变。为了满足这一点,波函数要么整体对称,要么整体反对称。而费米子,包括电子,被实验证明是遵循“整体反对称”的。

2. “自旋函数”不是独立的: 电子的自旋函数(描述自旋状态的波函数)必须与它的空间波函数耦合,以满足总波函数整体反对称的要求。

情况一:空间波函数是对称的。 比如,两个电子都处于原子基态的 S 轨道上,它们的空间波函数是对称的(交换位置不变)。在这种情况下,为了让总波函数反对称,它们的自旋波函数必须是反对称的。这就是前面提到的自旋单态:$|uparrowdownarrow angle |downarrowuparrow angle$。 这个状态是“混合”的,你不能简单地说“第一个电子自旋向上,第二个电子自旋向上”。如果我们交换这两个自旋状态,得到 $|downarrowuparrow angle |uparrowdownarrow angle = (|uparrowdownarrow angle |downarrowuparrow angle)$,这是反对称的。
情况二:空间波函数是反对称的。 比如,两个电子处于 P 轨道上,它们的相对位置导致空间波函数在交换时变为负。在这种情况下,为了让总波函数反对称,它们的自旋波函数必须是对称的。这就是自旋三态:$|uparrowuparrow angle$, $|downarrowdownarrow angle$, $|uparrowdownarrow angle + |downarrowuparrow angle$。
在这里,你可能会说“$|uparrowuparrow angle$”这个状态,不是自旋“相同”吗?但请注意,这只是描述两个全同电子在自旋上的一种对称组合。如果你真的想把这两个电子交换位置,并且让它们都具有“向上”的自旋,那么它们的总波函数(空间+自旋)需要是反对称的。如果空间部分是反对称的,那么自旋部分就必须是 $|uparrowuparrow angle$ 这样的对称态。
更根本地说, Pauli 原理阻止的是两个电子处于完全相同的状态。对于 $|uparrowuparrow angle$ 这样的自旋态,如果空间部分也是完全相同的,那么就违反了 Pauli 原理。通常,两个电子处于 $|uparrowuparrow angle$ 这样的对称自旋态,它们必须在空间上处于某种反对称的运动状态,以满足总波函数的反对称性。

3. “自旋函数”的“反对称”更常指的是“自旋单态”: 当我们谈论“两电子的自旋函数是反对称”时,通常指的是在空间波函数对称的情况下,它们必须处于自旋单态。自旋单态本身是反对称的,这是为了配合对称的空间波函数,使得总波函数反对称。

总结一下,关键不在于“自旋函数”本身是否在所有情况下都“长成”反对称的样子(比如 $|uparrowdownarrow angle |downarrowuparrow angle$),而在于:

电子是费米子,总波函数必须是反对称的。
总波函数由空间部分和自旋部分构成。
当空间部分对称时,自旋部分必须是反对称的(自旋单态)。
当空间部分反对称时,自旋部分必须是对称的(自旋三态)。

你提出的“为何两电子的自旋函数是反对称函数”的疑问,可能来自于对“自旋函数”这个词的理解,以及可能只看到了“平行自旋”的例子。但“自旋函数”是总波函数的一部分,它的对称性由总波函数的反对称性要求决定。

你的观点之所以让你觉得“书本观点有问题”,很可能是因为你把“自旋态的对称性”与“自旋函数本身必须是反对称的”混淆了。

“自旋函数”可以是对称的(三态),也可以是反对称的(单态)。
但对于两个电子来说,它们的“自旋波函数”与“空间波函数”必须以一种方式结合,使得“总波函数”总是反对称的。

所以,书本的观点是正确的,它隐含的是“当电子处于某些允许的、能满足总波函数反对称性的状态时,它们的自旋函数(为了配合空间函数)需要满足对称性要求,而在另一些情况下(空间函数对称),自旋函数就需要是反对称的”。

最直接的回答是:不是所有的“两电子自旋函数”都是反对称的,但“能让两个电子存在的总波函数”在交换两个电子后必须是反对称的。 这种整体反对称性,会迫使在某些情况下,自旋函数必须是反对称的(单态),而在另一些情况下,自旋函数必须是对称的(三态)。

你的质疑非常有价值,它迫使我们去更精确地理解“全同粒子”、“总波函数”、“空间波函数”和“自旋波函数”之间的关系,以及 Pauli 原理的真正含义。希望这个详细的分析能帮助你理清思路!

网友意见

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课文中说总体波函数在实空间“对称”并不是指它是偶函数,而是说总体波函数的空间部分满足

所以无论单粒子基态波函数 奇偶性如何, 总是对称的。

另外,当然自旋部分不一定是反对称的。而是说如果空间部分是反对称的,那么自旋部分就是对称的。比较有名的例子像是p波超导体里的库伯对。

总之,跟单粒子波函数本身的奇偶性没什么关系。

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