Fermionen

Hallo,

ein Fermion will nie einen gleichen Zustand besetzen wie ein anderes
Fermion. Die ‚minimalste Unterscheidung‘ zwischen zwei Fermionen ist
ihr Spin. Sagen wir, dass sich zwei Fermionen in einem selben Energie-
zustand befinden und ein äußeres Magnetfeld angelegt ist. Dann nimmt
z. B. F1 den Spin up und F2 den Spin down ein. So gleichen sich die
beiden nicht in jeder Quantenzahl. Nun könnte man sie ja aufgrund ihrer
Spineinstellung unterscheiden. Da die Fermionen allerdings ununterscheid-
bar sein sollen, und müssen, muss sich ihre Spineinstellung vertauschen,
wenn man sie selbst tauscht, d.h.: ich vertausche nun F1 mit F2 und um-
gekehrt; da F1 den SPin up hatte, muss es nun den Spin down haben, sonst
könnte man es ja ‚verfolgen‘. Ebenso bei F2: es hatte vorher den Spin
down und nach der Vertauschung nun Spin up. Muss deshalb die Wellenfunk-
tion der Fermionen antisymmetrisch unter Vertauschung sein?
Vielen Dank.

Hallo,

Da die Fermionen allerdingsvununterscheid-
bar sein sollen, und müssen, muss sich ihre Spineinstellung
vertauschen,
wenn man sie selbst tauscht, d.h.: ich vertausche nun F1 mit
F2 und um-
gekehrt; da F1 den SPin up hatte, muss es nun den Spin down
haben, sonst
könnte man es ja ‚verfolgen‘. Ebenso bei F2: es hatte vorher
den Spin
down und nach der Vertauschung nun Spin up. Muss deshalb die
Wellenfunk-
tion der Fermionen antisymmetrisch unter Vertauschung sein?

Nein, das ist kein gültiges Argument.

Erstens: Wenn du zwei Fermionen vertauschst, müssen alle quantenzahlen vertauscht werden, nicht nur der Spin (die magnetische Quantenzahl). In einem System, in dem die Fermionen gebunden sind, kann z.B. auch der Ort eine Quantenzahl sein.

Zweitens: Fermionen können ja nicht nur Elektronen sein, sondern auch Spins von 3/2 haben. D.h. ein paar von Fermionen kann auch Spins 3/2, 1/2 haben, dann ist es kein Spin-Flip mehr, wenn du die beiden Vertauschst

Drittens: Es ist für mich nicht klar, warum die Antisymmetrie der Wellenfunktion (und darum geht es ja bei Fermionen) etwas mit dem Spin/der magnetischen Quantenzahl zu tun haben.

Grüße,
Moritz

Ehrlich gesagt, weiß ich auch nicht mehr, was mich da geritten hat. Aus der QM weiß ich:

\psi (-x) = \psi (x) symmetrische Wellenfunktion
\psi (-x) = -\psi (x) anti-symmetrische Wellenfunktion

Ich glaube, ich wollte auf folgendes hinaus: wieso dürfen zwei Fermionen keinen gleichen
(in allen QZ übereinstimmenden) Zustand besetzen? Das besagt ja im Prinzip das Pauli-Verbot.

Hat das damit zu tun, dass die Wellenfunktion bei Vertauschung antisymmetrisch sein muss?

wieso dürfen zwei Fermionen keinen gleichen
(in allen QZ übereinstimmenden) Zustand besetzen? Das besagt
ja im Prinzip das Pauli-Verbot.

Hat das damit zu tun, dass die Wellenfunktion bei Vertauschung
antisymmetrisch sein muss?

Naja, eher umgekehrt:
Dass die Wellenfunktion bei Vertauschung zweier Fermionen antisymmetrisch sein muss, ist die Definition(!) von Fermionen, nicht die Begründung für dieses Verhalten.

Hätten zwei Fermionen identische r und s - QZ, dann wären beide Fermionen identisch, und nach Vertauschen wäre Psi(-x) = Psi(x) (Wenn man identische Teilchen tauscht dann ändert sich ja nichts). Und dann wären die Fermionen halt Bosonen.

Hallo,

nun, es gibt zwei Definitionen, was ein Fermion ist:
a) Fermionen sind Tielchen mit halbzahligem Spin (mathematisch gesehen muss man auch zeigen, dass das wohldefiniert ist, dass sich der Spin also nicht ändert)
b) Fermionen sind Teilchen mit der besagten Antisymmetrie bezüglich Vertauschung.

Das Spin-Statistik-Theorem in der Quantenfeldtehorie garantiert, dass unter gewissen sehr allgemeinen Annahmen beide Definitionen äquivalent sind.

Das Pauli-Prinzip folgt aus der Nummer mit der Vertauschung; das reduziert sich im Wesentlichen darauf, dass wenn man eine antisymmetrische Zwei-Teilchen_Wellenfunkction A(|Zustand Teilchen 1>, |Zustand Teiclhen 2&gt:wink: hat, dass wenn also gilt
A(|Zustand Teilchen 1>, |Zustand Teiclhen 2&gt:wink: = -A(|Zustand Teilchen 2>, |Zustand Teiclhen 1&gt:wink:
dass dann notwendigerweise
A(|Zustand Teilchen 1>, |Zustand Teiclhen 1&gt:wink: = -A(|Zustand Teilchen 1>, |Zustand Teiclhen 1&gt:wink:
und damit A(|Zustand Teilchen 1>, |Zustand Teiclhen 1&gt:wink: = 0.
Das kennt man auch von der Spur eines antisymmetrischen Tensors :wink: Hier der wiki-Eintrag:

http://en.wikipedia.org/wiki/Pauli_exclusion_princip…

Die Verbindung Pauli-Prinzip halbzahliger Spin ist über das Spin-Statistik-Theorem nicht trivial, nachzulesen in Weinberg, QFT.
Gruß!

w.bars

Hallo,

Dass die Wellenfunktion bei Vertauschung zweier Fermionen
antisymmetrisch sein muss, ist die Definition(!) von
Fermionen, nicht die Begründung für dieses Verhalten.

Hätten zwei Fermionen identische r und s - QZ, dann wären
beide Fermionen identisch, und nach Vertauschen wäre Psi(-x) =
Psi(x) (Wenn man identische Teilchen tauscht dann ändert sich
ja nichts). Und dann wären die Fermionen halt Bosonen.

Die eigentlich interessante Frage bleibt aber dadurch offen: Wieso sind Teilchen mit ganzzahligem Spin symmetrisch, und Teilchen mit halbzahligem Spin antisymmetrisch?

Dafür habe ich noch keine anschauliche Erklärung gefunden, und die Wikipedia, die sonst bei sowas recht gut ist, bleibt einem auch die Erklärung schuldig (siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Spin-Statistik-Theorem ).

Grüße,
Moritz

Danke! Die Brücke zwischen der Definition der Fermionen als halbzahlige
Spin-Teilchen und der Definition, dass die Wellenfunktion der Fermionen
bei Vertauschung antisymmetrisch sein muss, wird also über dieses sog.
Spin-Statistik-Theorm geschlagen. Sehe ich das richtig? Somit ergibt sich
aus der mir am einleuchtendsten, ersten Definition über dieses Theorem die
zweite Definition.
Es ist in diesem Falle anscheinend wichtig, was Definition, Postulat, usw.
ist, und was folgert. Dass Elementarteilchen ununterscheidbar sein müssen,
leuchtet mir ein. Aber woher kommt eigentlich die Forderung, dass Fermionen
nie den gleichen Zustand (n, l, m, s) besetzen dürfen? Komischerweise ist das
bei den Bosonen ja nicht so. Das geht ja sogar soweit, dass man ein Bose-Ein-
stein-Kondensat erzeugen kann, wo sich alle Bosonen im Grundzustand befinden
und durch eine einzige Wellenfunktion ausdrücken lassen. Liegt das am halbzahl-
igen Spin der Fermionen?

Genau, was hier Definition ist, und was folgt, wird nicht klar unterschieden. Aber da die beiden Definitionen äquivalent sind, kannst du eine als tatsächliche Definition nehmen, und die andere als Folgerung. Insofern ist eine Unterschiedung nur aus pädagogischen Gründen wichtig. Aus Sicht der QFT ist die Grundlegendere Eigenschaft der Spin, und die Symmetrie der Wellenfunktion ergibt sich dann.

Dass der gleiche Zustand nicht besetzt werden darf folgt aus der kleinen Rechnung, die ich dort angefügt habe. Das gilt viel abstrakter, als irgendwelche Quantenzahlen n, l, m, s, … (?). Diese QZ ergeben sich nur in , vereinfachten, äußersten engen System, nämlcih dem von nicht miteinander wechselwirkenden Elektronen in einem Coulomb-Potential (des punktförmigen, ode rbesser strukturlosen, unendlichen schweren Kerns). Zwar bedeuten sie für Chemiker die ganze Welt, aber von einem allgemeinen Standpunkt gesehen ist es recht irrelevant, wie man genau die Zustaände abzählt. Wenn du an den LHC denkst, hast du bei den Elektronen dort sicher ganz andere Sorgen als Quantenzahlen, die sie hätten, wenn sie in einem Wasserstoffatom wären :smiley:

Die Rechnung nochmal. Sie ist sehr allgemein und hat nur eine Annahme: Wellenfunktion ist bezüglich des Teilchenaustauschs antisymmetrisch. (Da Wahrscheinlichkeiten immer nur das Quadrat dieser Wellenfunkction sind, wirst du das Vorzeichen nie direkt messen können.)

A(Zustand v. Teilchen 1, Zustand v. Teilchen 2) = MINUS A(Zustand v. Teilchen 2, Zustand v. Teilchen 1).
Und wenn ich dort in beide Argumente den gleichen Zustand einsetze, steht da
= MINUS . Und die einzige Zahl, für die x = -x ist, ist nunmal NULL. Damit ist verschwindet die Wellenfunktion und auch die Wahrscheinlichkeit, zwei Fermionen im gleichen Zusatnd anzutreffen. Bei Bosonen steht da übrigens sowas wie x = x und damit ist nichts gewonnen. Aber auch ncihts verloren :wink:

Das Pauliprinzip folgt hieraus. Mit dem Spin hat das vorerst nichts zu tun, und hinterher nur über das besagte Spin-Statistik-Theorem. Vielleicht irritiert dich hier wieder das Wasserstoffatom: Spin ist keine Quantenzahl, wie n oder l. Spin ist eine Eigenschaft des Teilchens, sie gehört dem Teilchen, egal was du damit anstellst. n und l und m sind Eigenschaften der Wellenfunktion, es sind Eigenschaten der der Elektronen im Atom, wenn du so willst, Eigenschaften ihrer „Bewegung“.
Und bevor das ABER kommt: [Ich weiß deinen Hintergrund leider nicht… Ist dir die Schrödingergleichung als Eigenwertproblem ein Begriff? Wenn ja wirst du sicher wissen, was ich jetzt zu umschreiben versuche…] Korrekter geben dir n, l, m Zustände des Elektrons im Atom an, und zwar quantisiert n die Energie, l und m den Drehimpuls (und auch die Energie). Sie geben dir an, was du alles an untershciedlichen Werten messen könnetst. Das sind aber alles Größen [Observablen], die mit dem Potential zu tun haben, in welches du diene Elektronen steckst (hier Coulomb). Der Spin als Zahl ist eine Eigenschaft des Teilchens. Seine Projektion auf ausgezeichnete Richtungen kann aber gemessen werden. Und diese Projektion kann eben nach oben zeigen, oder nach unten (bildlich gesprochen) – +1/2, -1/2. Im Prinzip ist deine QZ im Wasserstoffatom also nur das Vorzeichen. Die „Länge“, nämlich das 1/2, ist etwas, was sich nie ändert, weil es eine Eigenschaft des Elektrons ist. Und um diese Eigenschaft geht es beim Spin-Statistik-Theorem, nicht darum, in welche Richtung sich was ausrichtet.
Jetzt habe ich dich gründlich verwirrt :wink:

w.bars
P.S: Und als Zugabe: Bosonen kannst du auch ohne Kondensation alle in den Grundzustand einsperren :stuck_out_tongue: Musst nur gut kühlen.

Hi,
Deine Behauptung am Ende hinkt gewaltig.

Füf Fermionen gilt immer, Y(-x) = - Y(x). Und für Bosonen, die genauso ununterscheidbar sind gilt Y(-x)=Y(x). Wa sich nicht ändern darf ist die physikalische Größe, das Betragsquadrat der Wellenfunktion. Und das bleibt in beiden Fällen gleich.

Die wichtige Argumentation ist: Wenn für zwei völlig identische Teilchen Y(-x) = -Y(x) gilt, es also Fermionen wäre, und sie in allen Quantenzahlen gleich wären, erhalte ich mathematisch einen Ausdruck wie -a = +a, und die einzige Zahl die diese Gleichung erfüllt ist 0. Daher kann es das per definitionem nicht geben
lg