已知极端相对论电子气体中,电子能量与动量的关系为=cp.设此气体是完全简并的,电子数密度为n,求气体在T→0时能量及压强.
众所周知,质量m,电荷q的粒子处于状态ψ(r)时,空间各处的电荷密度及电流密度为
ρ(r)=qψ*(r)ψ(r) (1)
(2)
今引入电荷密度算符及电流密度算符
(3)
(4)
其中为动量算符,
(5)
试解释算符和的意义,并证明它们的平均值就是式(1)和(2).再将结果推广到有磁场的情形.
设有某种球对称的电荷分布,电荷密度记为ρ(r),具有下列性质:r→∞,ρ(r)迅速趋于0;
,
今有一束质量m,电荷e,动量p=hk的粒子,沿z轴方向入射,受到此电荷分布所生静电场作用而发生散射.试用一级Born近似公式计算向前散射(θ=0)的微分截面.
在有分布电荷和分布电流的空间,电磁场对单位体积带电体的作用力是
由此证明:
式中称为电磁场的动量密度。
当温度高达kT~mc2(mc2~0.5MeV为电子的静止质量所对应的能量),可以发生正、负电子对的产生与湮没过程:
这时正、负电子的数目不再是固定不变的,而需由化学平衡条件确定.由于光子气体的化学势为0,于是有
μ-+μ+=0.
现考虑的高温,这时正、负电子将大量产生,以致初始时的e-密度n0可以忽略不计,即
n-=n++n0≈n+
因而μ-=μ+(e-与e+具有相同的质量、自旋,它们的化学势只由粒子数密度决定,今n-=n+,故μ-=μ+).再利用上述化学平衡条件,即得μ-=μ+=0.试在上述条件下:
(i)计算正、负电子数密度n-=n+=?
(ii)计算正、负电子的能量密度(即单位体积内的平均能量)u-=u+=?
(iii)计算正、负电子的能量密度与相同温度下光子能量密度之比.