Свободные частицы

Свободные частицы – термин, употребляемый в физике для обозначения частиц, которые не взаимодействуют с другими телами, а, следовательно имеют только кинетическую энергию.
Совокупность свободных частиц образует идеальный газ.
Несмотря на простоту определения, в физике понятия свободной частицы играет очень большую роль, поскольку уравнение движения должны прежде всего удовлетворяться для свободных частиц.
В классической физике свободная частица сохраняет свою скорость в инерциальной системе отсчета. Это утверждение является первым законом Ньютона. Кинетическая энергия свободной частицы задается формулами
Квантовые частицы описываются уравнением Шредингера



Решения этого уравнения даются суперпозицией волновых функций, которые имеют вид

,

где

,

– Любое комплексное число.
Волновой вектор является для свободной квантовомеханической частицы квантовым числом.
Свободная квантовая частица может находиться в состоянии со строго визначениы волновым вектором. Тогда ее импульс тоже строго определен и равняется . В таком случае энергия частицы тоже определенная и равняется E. Однако, квантовая частица может находиться также в смешанном состоянии, в котором ни импульс, ни энергия не определены.
Релятивистские квантовые частицы описываются разными уравнениями движения, в зависимости от типа частиц. Для электронов и одновременно их античастиц позитронов справедливо уравнение Дирака. В состоянии с определенным значением импульса p энергия частиц равна

,

где знак + соответствует электрону, а знак – соответствует позитрону. Для релятивистского электрона появляется также дополнительное квантовое число – спин.
Другие частицы описываются своими специфическими уравнениями, например безспинова частица описывается уравнением Клейна-Гордона, фотоны – уравнениями Максвелла, т.