Вільні частинки — термін, який уживається в фізиці для позначення частинок, які не взаємодіють з іншими тілами, а, отже мають тільки кінетичну енергію.
Сукупність вільних частинок утворює ідеальний газ.
Незважаючи на простоту означення, в фізиці поняття вільної частинки відіграє дуже велику роль, оскільки рівняння руху повинні перш за все задовольнятися для вільних частинок.
Класична механіка Редагувати
У класичній фізиці вільна частинка зберігає свою швидкість у інерціальній системі відліку. Це твердження є першим законом Ньютона.
Кінетична енергія вільної частинки задається формулами
- , де m — маса частинки, у нерелятивістському випадку
- , де с — швидкість світла, у релятивістському випадку.
Нерелятивістська квантова механіка Редагувати
Квантові частинки описуються рівнянням Шредінгера
Розв'язки цього рівняння даються суперпозицією хвильових функцій, які мають вигляд
де
— будь-яке комплексне число.
Хвильовий вектор є для вільної квантовомеханічної частинки квантовим числом.
Вільна квантова частинка може перебувати в стані з строго визначеним хвильовим вектором. Тоді її імпульс теж строго визначений і дорівнює . В такому випадку енергія частинки теж визначена й дорівнює E. Проте, квантова частинка може перебувати також у змішаному стані, в якому ні імпульс, ні енергія не визначені.
Релятивістська квантова частинка Редагувати
Релятивістські квантові частинки описуються різними рівняннями руху, в залежності від типу частинок. Для електронів і водночас їхніх античастинок позитронів справедливе рівняння Дірака. У стані з визначеним значенням імпульсу p енергія частинок дорівнює
де знак + відповідає електрону, а знак - відповідає позитрону. Для релятивістського електрона з'являється також додаткове квантове число — спін.
Інші частинки описуються своїми специфічними рівняннями, наприклад безспінова частинка описується рівнянням Клейна — Ґордона, фотони — рівняннями Максвелла тощо.