Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Видео:Волновая функция (видео 5) | Квантовая физика | ФизикаСкачать

Волновая функция (видео 5) | Квантовая физика | Физика

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Аналог классического волнового уравнения был предложен Э. Шредингером в 1925 г. Как и классическое уравнение, уравнение Шредингера связывает производные волновой функции по времени и координате. Уравнение Шредингера описывает поведение любых нерелятивистских систем. На примерах частицы, находящейся в бесконечно глубокой яме, и гармонического осциллятора рассмотрены простейшие квантовые системы, получены дискретные спектры состояний. Возможности описания динамики данных систем ограничены набором квантовых чисел, отражающих универсальные и внутренние симметрии квантовых систем.

4.1. Уравнение Шредингера

В квантовой физике изменение состояния частицы описывается уравнением Шредингера

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы(4.1)

где Уравнение шредингера для свободной микрочастицы– оператор Гамильтона – аналог классической функции Гамильтона

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

в которой Уравнение шредингера для свободной микрочастицыи Уравнение шредингера для свободной микрочастицызаменены операторами импульса Уравнение шредингера для свободной микрочастицыx, Уравнение шредингера для свободной микрочастицыy, Уравнение шредингера для свободной микрочастицыz и координаты Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, Уравнение шредингера для свободной микрочастицы:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

х → Уравнение шредингера для свободной микрочастицы= х, y → Уравнение шредингера для свободной микрочастицы= y, z → Уравнение шредингера для свободной микрочастицы= z,

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы(4.2)

Уравнение Шредингера

Зависящее от времени уравнение Шредингера:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

где Уравнение шредингера для свободной микрочастицы– гамильтониан системы.

Разделение переменных. Запишем Ψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы,t) = ψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы)θ(t), где ψ является функцией координат, а θ – функция времени. Если Уравнение шредингера для свободной микрочастицыне зависит от времени, тогда уравнение Уравнение шредингера для свободной микрочастицыψ = iћψ принимает вид θУравнение шредингера для свободной микрочастицыψ = iћψθ или

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Левая часть является функцией только координат, а правая не зависит от переменной x. Поэтому обе части последнего уравнения должны быть равны одной и той же постоянной, которую обозначим E

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

θ(t) = exp(−iEt/ћ), Уравнение шредингера для свободной микрочастицыψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы) = Eψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы) и Ψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы,t) = ψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы)exp(−iEt/ћ).

Уравнение Уравнение шредингера для свободной микрочастицыψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы) = Eψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы) называют стационарным уравнением Шредингера. Для одномерной системы с массой m в поле с потенциалом U(x) оно принимает вид:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицыили Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Для трехмерной системы с массой m в поле с потенциалом U(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы):

−(ћ 2 /2m)Δψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы) + U(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы)ψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы) = Eψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы),

где Δ – лапласиан.

Так как уравнение Шредингера является линейным уравнением первого порядка по времени, то с его помощью по заданному значению волновой функции Ψ(x, y, z, 0) в момент времени t = 0 можно найти её значение в произвольный момент времени t − Ψ(x, y, z, t).

Уравнение Шредингера для стационарного состояния, когда потенциальная энергия частицы не зависит от времени, имеет вид

Уравнение шредингера для свободной микрочастицыψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы) = Eψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы).(4.3)

Это уравнение называют стационарным уравнением Шредингера.

Так как в стационарном состоянии

Ψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы,t) = ψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы)exp(−iEt/ћ)(4.4)

и вероятность найти частицу в момент t в точке x, y, z пропорциональна |Ψ(Уравнение шредингера для свободной микрочастицы,t)|, то она

|ψ(x,y,z)| 2 , т.е. не зависит от времени. Аналогично, вероятность обнаружить значение физической величины, характеризующей систему, также не изменяется со временем, поскольку выражается через квадрат модуля волновой функции.

4.2. Частица в одномерной прямоугольной яме с бесконечными стенками

Потенциальная энергия U(x) в прямоугольной яме удовлетворяет следующим условиям:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы(4.5)

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы
Рис.4.1. Прямоугольная яма с бесконечными стенками

Частица находится в области 0 ≤ x ≤ L. Вне этой области ψ(x) = 0. Уравнение Шредингера для частицы, находящейся в области 0 ≤ x ≤ L

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы(4.6)

Волновая функция, являющаяся решением уравнения (4.9), имеет вид

ψ(x)= Аsin kx + Bcos kx,(4.7)

где k = (2mE/ћ 2 ) 1/2 . Из граничных условий ψ(0) = 0, ψ(L) = 0 и условий непрерывности волновой функции следует

Аsin kL = 0.(4.8)

kL = nπ, n = 1, 2, 3, … , то есть внутри потенциальной ямы с бесконечно высокими стенками устанавливаются стоячие волны, а энергия состояния частиц имеет дискретный спектр значений En

Уравнение шредингера для свободной микрочастицыn = 1, 2, 3, …(4.9)

Частица может находиться в каком-то одном из множества дискретных состояний, доступных для неё.
Каждому значению энергии En соответствует волновая функция ψn(x), которая с учетом условия нормировки

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы(4.10)

В отличие от классической, квантовая частица в прямоугольной яме не может иметь энергию
E 2 π 2 /(2mL 2 ). Состояния частицы ψn в одномерном поле бесконечной потенциальной ямы полнос­тью описывается с помощью одного квантового числа n. Спектр энергий дискретный.

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Рис. 4.2. Уровни энергии и волновые функции частицы Ψ в бесконечной прямоугольной яме. Квадрат модуля волновой функции |Ψ| 2 определяет вероятность нахождения частицы в различных точках потенциальной ямы.

4.3. Гармонический осциллятор

Положение уровней частицы в потенциальной яме зависит от вида потенциальной ямы. В одномерной потенциальной яме гармонического осциллятора потенциальная энергия имеет вид

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы(4.11)

В этом случае одномерное уравнение Шредингера имеет вид

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы(4.12)

Допустимые значения полной энергии определяются формулой

En = ћω0(n + 1/2), n = 0, 1, 2,(4.13)

В отличие от бесконечной прямоугольной ямы, спектр уровней гармонического осциллятора эквидистантный.
С увеличением массы частицы или размеров области ее локализации квантовое описание частицы переходит в классическое.

Частица в одномерной потенциальной яме

Одномерная прямоугольная яма шириной L:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы Уравнение шредингера для свободной микрочастицыn = 1, 2, …
Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Одномерный гармонический осциллятор:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицыEn = ћω0(n + 1/2), n = 0, 1, 2,

4.4. Частица в поле с центральной симметрией

В сферических координатах стационарное уравнение Шредингера для частицы в центральном потенциале U(r) имеет вид

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы(4.14)

Решение уравнения (4.14) записываются в виде произведения радиальной и угловой функций

ψ(r,θ,φ) = Rnl(r)Ylm(θ,φ),(4.15)

где радиальная функция Rnl(r) и угловая функция Ylm(θ,φ), называемая сферической, удовлетворяют уравнениям

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы2 Ylm(θ,φ) = ћ 2 l(l +1)Ylm(θ,φ)(4.16)
Уравнение шредингера для свободной микрочастицыYlm(θ,φ) = ћ 2 l(l +1)Ylm(θ,φ)
Уравнение шредингера для свободной микрочастицы
(4.17)

Уравнение (4.16) определяет возможные собственные значения l и собственные функции Ylm(θ,φ) оператора квадрата момента Уравнение шредингера для свободной микрочастицы2 . Уравнение (4.17) определяет собственные значения энергии Е и радиальные собственные функции Rnl(r), от которых зависит энергия системы (рис. 4.3).
Схема уровней (последовательность и абсолютные значения энергий) зависит от радиальной функции Rnl(r), которая в свою очередь определяется потенциалом U(r), в котором находится частица.

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Рис. 4.3. Радиальное распределение вероятности нахождения электрона в кулоновском поле протона (атом водорода). Расстояния даны в боровских радиусах
r0 = ћ 2 /mee 2 ≈ 0.529·10 8 cм.

Решения уравнения

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

существуют лишь при определенных значениях квантовых чисел n (радиальное квантовое число), l (орбитальное квантовое число) и m (магнитное квантовое число).
Возможные энергетические состояния системы (уровни энергии) определяются числами n и l и в случае сферически симметричных состояний не зависят от квантового числа m. Число n может быть только целым:
n = 1, 2, …, ∞. Число l может принимать значения 0, 1, 2, …, ∞.

4.5. Орбитальный момент количества движения

Собственные значения L 2 и Lz являются решением уравнений

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы2 Ylm(θ,φ) = L 2 Ylm(θ,φ) и Уравнение шредингера для свободной микрочастицыzYlm(θ,φ) = LzYlm(θ,φ).

Они имеют следующие дискретные значения

L 2 = ћ 2 l(l + 1), где l = 0, 1, 2, 3, …,
Lz = ћm, где m = 0, ± 1, ± 2, ± 3,…, ± l.

Для характеристики состояний с различными значениями орбитального момента l обычно используют следующие обозначения:

Спектроскопические названия орбитальных моментов l

l = 0s-состояние
l = 1p-состояние
l = 2d-состояние
l = 3f-состояние
l = 4g-состояние
l = 5h-состояние
и. т. д.

Состоянию с l = 0 отвечает сферически симметричная волновая функция. В тех случаях, когда l ≠ 0 волновая функция не имеет сферической симметрии. Симметрия волновой функции определяется симметрией сферических функций Ylm(θ,φ). Имеет место интересное квантовое явление, когда решение сферически симметричной задачи (потенциал описывает сферически симметричную систему) приводит к состояниям, не обладающим сферической симметрией. Таким образом, симметрия уравнений не обязательно должна отражаться в симметрии каждого отдельно взятого решения этих уравнений, а лишь во всей совокупности этих решений.
Для частицы, находящейся в сферически симметричном потенциале, величина орбитального момента количества движения L:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы(4.18)

Обычно, для упрощения, когда говорят о величине орбитального момента количества движения, называют этой величиной квантовое число l, имея в виду, что между l и L имеется однозначная связь (4.18).

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Рис. 4.4 Возможные ориентации вектора Уравнение шредингера для свободной микрочастицыпри квантовом числе l = 2.

Так как величина l может принимать только целочисленные значения 0, 1, 2, 3,…, то и орбитальный момент количества движения L квантуется. Например, для частицы с l = 2 момент количества движения

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы=
= 6.58·10 -22 √6 МэВ·сек ≈ 2.6·10 — 34 Дж·сек.

Пространственное квантование. Орбитальный момент количества движения является векторной величиной. Так как величина орбитального момента количества движения квантуется, то и направление Уравнение шредингера для свободной микрочастицыпо отношению к выделенному направлению z, например, к внешнему магнитному полю, также квантуется и принимает дискретные значения Lz = ћm, где m изменяется от +l до –l, т. е. имеет 2l + 1 значений. Например, при l = 2 величина m принимает значения +2, +1, 0, -1, -2 (см. рис. 4.4). Вместе с тем энергия системы не зависит от m, т. е. от направления вектора Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, что является очевидным следствием сферической симметрии системы.
Состояние частицы, находящейся в сферически симметричном поле, полностью описывается тремя квантовыми числами: n, l и m.
Появление квантовых чисел связано со свойствами симметрии системы. Характер этой симметрии определяет возможные значения квантовых чисел. Очевидно, что система, описываемая функцией e im φ , примет прежнее значение только тогда, когда азимутальный угол φ в результате поворота вокруг оси z примет прежнее значение φ. Этому условию функция e im φ удовлетворяет только в случае, когда величина mφ кратна 2π. Т.е. величина m должна иметь целые значения. Так как необходимо учитывать вращение в двух противоположных направлениях и отсутствие вращения, единственно возможными значениями оказываются m = 0, ±1, ±2, … .

4.6. Спин

Спин − собственный момент количества движения частицы. Между значением вектора спина Уравнение шредингера для свободной микрочастицыи квантовым числом спина s выполняется такое же соотношение, как между величиной значением вектора орбитального момента Уравнение шредингера для свободной микрочастицыи орбитальным квантовым числом l:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы2 = ћ 2 s(s + 1)(4.19)

В отличие от орбитального квантового числа l, которое может быть лишь целым числом или нулем, спиновое квантовое число s (в дальнейшем просто спин) может быть как целым (включая нуль), так и полуцелым, т. е. s = 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, … , но при этом для каждой элементарной частицы спин может принимать единственное присущее этому типу частиц значение. Так, спины π-мезонов и К-мезонов равны 0. Спины электрона, протона, нейтрино, кварков и их античастиц равны 1/2. Спин фотона равен 1. Бозоны составляют класс частиц с целым значением спина, спин фермионов имеет полуцелое значение. Спин частицы невозможно изменить, также как её заряд или массу. Это её неизменная квантовая характеристика.
Как и в случае других квантовых векторов, проекция вектора спина Уравнение шредингера для свободной микрочастицына любое фиксированное направление в пространстве (например, на ось z) может принимать 2s + 1 значение:

szћ = ±sћ, ±(s − 1)ћ, ±(s − 2)ћ. ±1/2ћ или 0.

Число sz − это квантовое число проекции спина. Максимальная величина sz совпадает с s. Так как спин электрона равен 1/2, то проекция этого спина может принимать лишь два значения sz = ±1/2. Если проекция +1/2, то говорят, что спин направлен вверх, если проекция -1/2, то говорят, что спин направлен вниз.

4.7. Полный момент количества движения

Полный момент количества движения частицы или системы частиц Уравнение шредингера для свободной микрочастицыявляется векторной суммой орбитального Уравнение шредингера для свободной микрочастицыи спинового Уравнение шредингера для свободной микрочастицымоментов количества движения.

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы= Уравнение шредингера для свободной микрочастицы+ Уравнение шредингера для свободной микрочастицы.

Квадрат полного момента имеет значение:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы2 = ћ 2 j(j + 1).

Квантовое число полного момента j, соответствующее сумме двух векторов Уравнение шредингера для свободной микрочастицыи Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, может принимать ряд дискретных значений, отличающихся на 1:

j = l + s, l + s −1. |l − s|

Проекция Уравнение шредингера для свободной микрочастицына выделенную ось Jz также принимает дискретные значения:

Число значений проекции Jz равно 2j + 1. Если для Уравнение шредингера для свободной микрочастицыи Уравнение шредингера для свободной микрочастицыопределены единственные значения проекций на ось z lz и sz, то jz также определена однозначно: jz = lz + sz.

4.8. Квантовые числа

Квантовые числа – это целые или дробные числа, которые определяют все возможные значения физической величины, характеризующей различные квантовые системы – атомы, атомные ядра, кварки и другие частицы.

Таблица квантовых чисел

nРадиальное квантовое число. Определяет число узлов волновой функции и энергию системы. n = 1, 2, …, ∞.
J, jПолный угловой момент J и его квантовое число j. Последнее никогда не бывает отрицательным и может быть целым или полуцелым в зависимости от свойств рассматриваемой системы. Уравнение шредингера для свободной микрочастицы2 = ћ 2 j(j + 1).
L, lОрбитальный угловой момент L и его квантовое число l. Интерпретация l такая же, как j, но l может принимать только целые значения, включая нуль: l = 0, 1, 2,…. L 2 = ћ 2 l(l + 1).
mМагнитное квантовое число. Проекция полного или орбитального углового момента на выделенную ось (обычно ось z) равна mћ. Для полного момента m = ±j, ±(j-1), …, ±1/2 или 0. Для орбитального m = ± l, ± (l-1), …, ±1, 0.
S, sСпиновый угловой момент S и его квантовое число s. Оно может быть либо положительным целым (включая нуль), либо полуцелым. s – неизменная характеристика частицы опреде­лен­ного типа. S 2 = ћ 2 s(s + 1).
szКвантовое число проекции спинового момента частицы на выделенную ось. Эта проекция может принимать значения szћ, где sz = ± s, ± (s -1), …, ±1/2 или 0.
P или πПространственная четность. Характеризует поведение системы при пространственной инверсии Уравнение шредингера для свободной микрочастицы→ — Уравнение шредингера для свободной микрочастицы(зеркальном отражении). Полная четность частицы Р = π(-1) l , где π – её внутренняя четность, а (-1) l – её орбитальная четность. Внутренние четности кварков положительные, антикварков — отрицательные.
IИзоспин. Характеризует свойство зарядовой инвариантности сильных взаимодействий

Для обозначения спинового момента часто используют букву J.

Все состояния, в которых может находиться квантовая система, описываются с помощью полного набора квантовых чисел. Так в случае протона в ядре состояние протона описывается с помощью четырех квантовых чисел, соответствующих четырем степеням свободы – трем пространственным координатам и спину. Это

  • Радиальное квантовое число n ( 1, 2, …, ∞),
  • Орбитальное квантовое число l (0, 1, 2, …),
  • Проекция орбитального момента m (± l, ± (l-1), …, ±1, 0),
  • Спин протона s =1/2.

Для описания сферически-симметричных систем в квантовой физике используются различные сферически симметричные потенциалы с различной радиальной зависимостью:

  • Кулоновский потенциал U = Q/r,
  • Прямоугольная потенциальная яма Уравнение шредингера для свободной микрочастицы
  • Потенциал типа гармонического осциллятора U = kr 2 ,
  • Потенциал Вудса-Саксона (с его помощью описываются внутриядерные взаимодействия):

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

где U0, а и R – положительные константы (R – радиус ядра). Во всех случаях сферически симметричные системы можно описать с помощью набора квантовых чисел n, l, j, jz, однако, в зависимости от радиального вида потенциала энергетический спектр состояний системы будет различным.
Существование сохраняющихся во времени физических величин тесно связано со свойствами симметрии гамильтониана системы. Например, в случае, если квантовая система обладает центральной симметрией U = U(r), то этой системе соответствует сохранение орбитального момента количества движения l и одной из его проекций m. При этом из-за сферической симметрии задачи энергия состояний не будет зависеть от величины m, т. е. состояния будут вырожденными по m.
Наряду с пространственными симметриями, связанными с непрерывными преобразованиями, в квантовой физике существуют и другие симметрии – дискретные. Одной из них является зеркальная симметрия волновой функции относительно инверсии координат (Уравнение шредингера для свободной микрочастицы→ —Уравнение шредингера для свободной микрочастицы). Оператору инверсии соответствует квантовое число четность, которое может принимать два значения +1 и -1 в зависимости от того, сохраняется ли знак волновой функции при инверсии или меняется на противоположный.
Система тождественных частиц характеризуется еще одной симметрией – симметрией относительно перестановок тождественных частиц. Эта симметрия определяется свойствами частиц, образующих систему. Системы частиц с целым спином (бозонов) описываются симметричными волновыми функциями, системы частиц с полуцелым спином (фермионов) − антисимметричными волновыми функциями.

Задачи

4.1. Вычислите допустимые уровни энергии электрона, находящегося в одномерной прямоугольной потенциальной яме шириной 10 -8 см, протона, находящегося в потенциальной яме 5 Фм, и шарика массой 1 г, находящегося в потенциальной яме 1 см.

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

4.2. Рассчитать энергию перехода между состояниями 1s и 2s в атоме водорода.

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

4.3. Найти значение полного момента j для протона в d-состоянии. Каким будет результат измерения полного момента протона в состоянии 1d5/2?

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

4.4. Найти полный момент (квантовое число j) системы двух нуклонов в s‑состоянии (l = 0).

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

4.5. Какие значения может иметь полный момент системы j, если
А. Нейтрон и протон находятся в состояниях с |l,s:j>n = |1, 1 /2: 3 /2>, |l,s:j>p = |1, 1 /2: 3 /2>?
Б. Два нейтрона находятся в состояниях с |l,s:j>1 = |1, 1 /2: 3 /2> и |l,s:j>2 = |1, 1 /2: 3 /2>?

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

4.6. А) Нейтрон находится в p-состоянии. Найти значения полного момента j и возможные значения проекции момента jz. Каким будет результат измерения орбитального момента частицы в этом состоянии? Б) Рассмотрите задачу А) для протона в d-состоянии.
Ответ: А) j = 3/2, 1/2; jz = ±3/2, ±1/2; L = ћ√ l(l +1) = √ 2 ћ;
Б) j = 5/2, 3/2; jz = ±5/2, ±3/2, ±1/2; L = ћ√ l(l +1) = √ 6 ћ

4.7. А) Частица с собственным моментом s = 3/2 находится в состоянии с орбитальным моментом
l = 2. Найти полный момент частицы j.
Б) Частица с собственным моментом s = 1/2 находится в состоянии с орбитальным моментом
l = 3. Определите полный момент частицы j
Ответ: А) j = 7/2 ÷ 1/2; Б) j = 7/2, 5/2

4.8. Протон и нейтрон находятся в состоянии с относительным орбитальным моментом L = 1. Найти полный момент системы J.
Ответ: J = 0, 1, 2

4.9. На оболочке с квантовым числом n = 1, l = 2 находятся протон и нейтрон. Определить их суммарный полный момент J и его проекцию Jz. Изменится ли результат, если на оболочке n = 1,
l = 2 будут находиться два нейтрона?

4.10. Почему возникают вырожденные состояния?

4.11. Написать оператор Гамильтона Уравнение шредингера для свободной микрочастицыэлектронов в атоме He.

4.12. Напишите стационарное уравнение Шредингера в сферической системе координат.

4.13. Какие квантовые числа характеризуют частицу в центрально-симметричной потенциальной яме?

4.14. Покажите, что волновые функции ψ = Aexp(kx −ωt) и ψ = Asin(kx −ωt) не удовлетворяют зависящему от времени уравнению Шредингера.

4.15. Покажите, что волновые функции ψ = Ae i(kx −ωt) и ψ = A(cos(kx −ωt) − sin(kx −ωt))удовлетворяют зависящему от времени уравнению Шредингера.

4.16. Частица находится в низшем состоянии n = 1 в бесконечно глубокой одномерной прямоугольной потенциальной яме размера L.
А) Рассчитайте вероятность обнаружить частицу в интервале Δx = 0.001L при x = 1 /2L, x = 2 /3L, x = L.
Б) Рассмотрите случай, когда частица находится в состоянии n = 2 при тех же значениях x.
Ответ: А) P(L/2) = 0.002; P(2L/3) = 0.0015; P(L) = 0; Б) P(L/2) = 0; P(2L/3) = 0.0015; P(L) = 0

4.17. Частица находится в состоянии n = 2 в бесконечно глубокой одномерной прямоугольной потенциальной яме размера L. Рассчитайте вероятность обнаружить частицу в интервале ( 1 /3L, 2 /3L).
Ответ: P(L/3, 2L/3) = 0.2

4.18. Электрон находится всостонии n = 5 в бесконечно глубокой одномерной прямоугольной потенциальной яме размера L. Рассчитайте вероятность обнаружить электрон в области x от 0.2L до 0.5L.
Ответ: P(0.2L, 0.5L) = 0.3

4.19. Электрон находится в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме. Рассчитайте ширину потенциальной ямы, если энергия состояния n = 1 равна 0.1 эВ.
Ответ: L = 1.9 нм

4.20. Рассчитайте средние значения и 2 > для состояний n = 1, 2, 3 в бесконечно глубокой прямоугольной потенциальной яме.

4.21. Что общего и в чем различие в описании атома водорода в теории Шредингера и в модели Бора?

4.22. Почему энергии атома водорода в теории Шредингера не зависят от орбитального квантового числа l?

4.23. Угловой момент характеризуется квантовым числом l = 3. Какие значения могут принимать Lz и L 2 ?
Ответ: Lz = -3ћ, -2ћ. 3ћ; L 2 = 12ћ 2

4.24. Угловой момент характеризуется квантовым числом l = 3. Какие значения могут принимать Lz и L 2 ?

Видео:97. Микрочастица в потенциальной ямеСкачать

97. Микрочастица в потенциальной яме

Соотношение неопределенности, волновая функция, излучение и поглощение энергии

Конспект лекции

Аннотация: знакомство с границами применимости классической физики, уравнением Шредингера. Традиционное изложение темы.

В первой четверти XX-го века получены экспериментальные свидетельства двойственности свойств материи: электромагнитное излучение проявляет свойства частиц (фотоэффект, комптоновское рассеяние, . ), а частицы демонстрируют волновые свойства (эффект Рамзауэра, туннельный эффект, . ).

Но свойства волн и частиц в известной степени противоположны.

ЧастицыВолны
Энергия и импульс локализованыПереносят энергию, распределенную по фронту волны
Сложение по правилу: частицы + частицы => больше частицИнтерференция лучей: больше в одном месте и меньше в другом
Отбрасывают резкую теньОгибают препятствия
При наличии щелей частица проходит через одну из нихПроходят через любое число отверстий

Нет подходящих образов, чтобы представить существование волновых и корпускулярных свойств у одного объекта. Нельзя все свойства волн и все свойства частиц приписать одному объекту. Необходимо внести некоторые ограничения в применении к объектам микромира понятий классической физики. Корпускулярно-волновая двойственность свойств частиц, изучаемых в квантовой механике, приводит к тому, что в ряде случаев оказывается невозможным, в классическом смысле, одновременно характеризовать частицу ее положением в пространстве (координатами) и скоростью (или импульсом). В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, названный теперь его именем. Он может быть записан в следующем виде

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы.

Здесь Δx — неопределенность координаты x, Δp — неопределенность импульса, ħ — постоянная Планка, деленная на 2π (h = 6.62·10 -34 Дж·с). Выражение (1) следует понимать так, что если мы точно задаем координату частицы (Δx → 0), то ничего не можем сказать о величине импульса (Δp → ∞). Одновременно точно задать координату и импульс микрочастицы невозможно. Для иллюстрации рассмотрим опыт по дифракции электронов на щели. Прямой опыт Йенсона (см. лекцию) показал, что за щелью распределение интенсивности электронов будет иметь вид, показанный на рис.1. Уравнение шредингера для свободной микрочастицыРис.1. Дифракция электронов на щели.

Отклонение электрона от первоначального направления означает получение им приращения импульса Δp. Ширина щели служит мерой неопределенности положения электрона (электрон проник в щель, в какой точке щели это произошло, неизвестно). Из опыта известно, что при уменьшении ширины щели дифракционная картина уширяется. Т.е., если Δx уменьшается, Δp растет, как это предсказывает соотношение (1).

Принцип неопределенности не мешает нам с любой желаемой точностью измерить каждую из величин, входящих в соотношение. Он утверждает лишь, что мы не в состоянии достоверно узнать и то, и другое одновременно. Неравенства (1) и (2) представляют собой ограничения применимости понятий классической механики.

Оценим количественную сторону ограничений на трех примерах.

    Молекула в стакане.

Массы молекул имеют порядок 10 -27 кг. Пусть стакан имеет размер

10 -1 м. Эту величину возьмем в качестве неопределенности координаты Δx. Тогда для неопределенности скорости получим

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы.

Чрезвычайно малое значение Δv в сравнение со скоростью молекул (при комнатной температуре порядка 500 м/с) приводит к выводу об отсутствии ограничений на классическое рассмотрение движения молекул в этом случае.
Электрон в атоме.

10 -30 кг, размер атома

10 -10 м. Для неопределенности скорости получим

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы.

И поскольку эта величина Δv сравнима со скоростью электронов в атоме, соотношение неопределенностей играет решающую роль, игнорировать волновые свойства электрона никак нельзя.
Луч осциллографа.

Скажутся ли волновые свойства электрона на работе осциллографа? Пусть радиус луча на экране очень качественного осциллографа равен r = 10 мкм, длина трубки L

10 -1 м. Тогда относительное изменение импульса Δp/p = r/L = 10 -4 . Импульс электрона определим, задав напряжение на трубке U, равным 10 кВ

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы.

Неопределенность импульса тогдаΔp

6·10 -27 , а неопределенность координаты

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

что существенно меньше размера пятна на экране. Т.е. пользоваться осциллографом можно, не задумываясь о волновых свойствах электронов.

Приведем один пример использования соотношения неопределенностей для оценки физических величин. Исходим из того, что неопределенность, например, импульса — это минимальное значение импульса, которое что-то значит.

Покажем, что в существующих ядрах не могут находиться электроны. За неопределенность координаты возьмем радиус ядра r, тогда

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Размеры ядер имеют порядок 10 -14 м, электрон с таким импульсом — ультрарелятивистский, его энергия много больше энергии покоя, и последней можно пренебречь в оценках. Имеем E = p·c (как для фотонов). Для того чтобы электрон находился в ядре, его кинетическая энергия должна быть меньше потенциальной энергии (энергии взаимодействия с заряженным шаром, которым представляем ядро). Получаем

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Ядер с таким большим атомным номером не существует. Точное решение задачи с нахождением волновой функции показывает отсутствие связанного состояния для электрона в потенциальной яме, которой представляется ядро.

Другая важная пара связанных физических величин – энергия Е и время t. Соотношение неопределённостей для них имеет вид

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы.

Если под величиной Δt понимать среднее время жизни атома в возбужденном состоянии, то энергия этого состояния определена с точностьюΔE. В основном состоянии атом может находиться без внешних воздействий бесконечно долгое время: Δt = ∞. Тогда ΔE = 0, то есть в основном состоянии энергия атома является строго определенной величиной. Однако каждый возбужденный уровень энергии имеет конечную ширину, которая определяется временем жизни атома в этом состоянии. Вследствие этого длина волны испускаемого кванта при переходе из возбужденного состояния не будет однозначной, спектральная линия излучающего атома имеет конечную ширину. Говорят о естественной ширине линии. Ширина спектральной линии определяется шириной уровней энергии, между которыми происходит переход. Обычно ширина уровней энергии очень мала. Например, для переходов с излучением в видимой части спектра (время жизни атома в возбужденном состоянии

Соотношение (2) допускает рождение на короткое время с последующим исчезновением частиц (их называют виртуальными (возможными) частицами). Их время жизни очень мало — порядка 10 -21 — 10 -24 с. Это объясняет, почему в вакууме постоянно присутствуют кванты различных полей. Отдельные виртуальные частицы нельзя обнаружить в принципе, но их суммарное воздействие на обычные микрочастицы обнаруживается экспериментально. В опыте У.Лэмба и Р.Ризерфорда (1947 г.) при исследовании спин-орбитального расщепления (см. лекцию) 2p уровня атома водорода обнаружено не только ожидаемое расщепление энергий состояний 2p3/2 и 2p1/2, но и отличие энергий 2s1/2 и 2p1/2 состояний. Это отличие обусловлено, как выяснилось позднее, во-первых, испусканием и поглощением связанным электроном виртуальных фотонов, что приводит к изменению эффективной массы электрона и возникновению у него аномального магнитного момента, и, во-вторых, возможностью виртуального рождения и аннигиляции в вакууме электронно-позитронных пар, что искажает кулоновский потенциал ядра. Лэмбовский сдвиг оказался первым физическим эффектом, на котором подтвердилась правильность квантовой электродинамики.

Видео:Урок 455. Уравнение ШрёдингераСкачать

Урок 455. Уравнение Шрёдингера

Волновая функция

Наличие волновых свойств у микрочастицы показывает, что ей (микрочастице) следует сопоставить некоторое волновое поле (аналог знакомых нам электрического, магнитного, гравитационного полей). Амплитуду этого волнового поля, зависящую от координат и времени, принято называть волновой функцией Уравнение шредингера для свободной микрочастицы. Физическое толкование (М.Борн, 1926 г.):

величина Уравнение шредингера для свободной микрочастицыпропорциональна вероятности того, что микрочастица в момент времени t будет обнаружена в объеме dV вокруг точки с координатами x, y, z.

Вспомним опыт с пропусканием электронов через щель. Куда попадет данный конкретный электрон — дело случая. После пропускания малого числа электронов картина похожа на мишень плохого стрелка. Поведение электрона должно описываться некоторой вероятностной функцией. И эта функция должна быть связана со свойствами волнового поля, т.к. итог большого числа попаданий электронов — вполне четкая картина дифракционных полос. Совместить случайный характер попадания электрона в данное место с его волновыми свойствами можно, лишь допустив, что вероятность попадания электрона в данную точку пропорциональна интенсивности волнового поля, т.е. квадрату амплитуды |Ψ| 2 . |Ψ| 2 имеет смысл плотности вероятности. С помощью волновой функции можно рассчитать все измеряемые физические характеристики системы частиц. Например, среднее расстояние электрона от ядра

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Свойства волновой функции:

  • самое главное — сама амплитуда Ψ(x,y,z,t) непосредственного физического смысла не имеет; только |Ψ| 2 — плотность вероятности;
  • волновая функция может быть комплексной (так чаще всего и бывает);
  • умножение волновой функции на постоянную величину не изменяет физического состояния частицы, которая она описывает (распределение вероятности в пространстве и во времени не изменится; во сколько раз частицу чаще можно встретить в одной точке, чем в другой, во столько же раз и после умножения);
  • волновая функция должна быть непрерывной и однозначной;
  • непрерывной должна быть и первая производная по координате, так как через нее определяется импульс частицы;
  • волновая функция не должна обращаться в бесконечность;
  • обычно волновую функцию нормируют так ,что

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

т.е. вероятности достоверного события.

Видео:Частица в одномерной потенциальной ямеСкачать

Частица в одномерной потенциальной яме

Уравнение Шредингера

Уравнение, решением которого является волновая функция, получено австрийским физиком Э.Шредингером

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

  • m — масса частицы;
  • Ψ(x,y,z,t) — волновая функция;
  • ħ — постоянная Планка, деленная на π2;
  • Уравнение шредингера для свободной микрочастицы— оператор Лапласа;
  • U(x,y,z,t) — потенциальная энергия;
  • i — мнимая единица.

Это уравнение применимо только для нерелятивистских частиц, у которых масса не зависит от скорости.

Для многих задач уравнение Шредингера можно упростить, исключив зависимость от времени. Это так называемые стационарные задачи. Пусть потенциальная энергия зависит только от координат U = U(x,y,z). Будем искать решение в виде произведения двух функций, зависящих одна от координат, а другая от времени: Ψ(x,y,z,t) = ψ(x,y,z)·φ(t). Поставим это выражение в уравнение и вынесем из-под знаков дифференцирования сомножители, не зависящие от соответствующих переменных

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Разделим получившееся уравнение на ψ(x,y,z)·φ(t). Теперь левая часть зависит только от координат, а правая от времени. Поскольку обе части равны между собой, то остается единственная возможность: каждая из них равна одной и той же константе. Обозначим эту константу -E (E, как будет видно, — полная энергия частицы).

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Теперь имеем два уравнения: первое для функции ψ(x,y,z)

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Это так называемое стационарное уравнение Шредингера. Второе, которое легко решается, для временной части

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Итак, для стационарного случая имеем два дифференциальных уравнения. Многочисленные эксперименты подтверждают выводы, вытекающие из решения уравнения Шредингера. На этом основана наша уверенность в справедливости этого уравнения.

В 1933г. Эрвину Шредингеру присуждена Нобелевская премия:

E RWIN S CHRODINGER for the discovery of new productive forms of atomic theory.

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

(за открытие новых продуктивных форм атомной теории)

Видео:Консультация по квантовой механике. Часть 5. "Волновая функция. Уравнение Шредингера"Скачать

Консультация по квантовой механике. Часть 5. "Волновая функция. Уравнение Шредингера"

Решение уравнения Шредингера для свободной частицы

Для понимания природы явлений в микромире обычно достаточно решить одномерную задачу. Этим мы и займемся. Для свободной частицы U(x) = 0, и уравнение Шредингера имеет вид

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы.

Имеем дифференциальное уравнение второго порядка с посто39янными коэффициентами. Его решение, используя характеристическое уравнение, получаем в виде

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы.

Теперь добавим множитель φ(t), зависящий от времени (см. выше)

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы.

Если учесть, что E/ħ = ω, получили уравнение волны с фазой kx-ωt в первом слагаемом и -kx-ωt во втором. Если фазу зафиксировать, то точка с постоянной фазой движется в направлении x для первого слагаемого (x растет с увеличением t), и в противоположном для второго. Первое слагаемое описывает движение частицы в направлении x, второе — против x.

Выражение (4) однозначно, конечно и имеет смысл при любых значениях энергии E. Энергия свободной частицы может принимать любое значение, т.е. ее энергетический спектр является непрерывным.

Этой волне соответствует не зависящая от времени вероятность обнаружить частицу в данной точке пространства. Действительно, выбирая для простоты волну, распространяющуюся в положительном направлении x, имеем |Ψ| 2 = Ψ·Ψ * = |A| 2 .

И напоследок получим соотношение между импульсом p и энергией E свободной частицы. Вспоминая выражение для длины волны де Бройля, для волнового числа k получим

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы.

Возведя это выражение в квадрат и приравняв к равенству для k 2 (3), получим

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

что совпадает с классическим соотношением.

Видео:10. Уравнение ШрёдингераСкачать

10. Уравнение Шрёдингера

Тождественность частиц. Бозоны и фермионы. Принцип Паули.

Проделаем опыт по изучению углового распределения упруго рассеянных α-частиц на ядрах углерода 12 C: α + 12 C → α + 12 C. Уравнение шредингера для свободной микрочастицыРис. 2. Рассеяние α-частиц на ядрах углерода. На рисунке 2а изображен в системе центра инерции результат взаимодействия, которое привело к рассеянию α-частицы на угол θ и попаданию в детектор 1. Ядро углерода регистрируется в детекторе 2. Пусть Ψ(θ) — волновая функция, описывающая этот процесс.

Но может быть (рисунок 2б) α-частица рассеялась на угол π — θ и попадает в детектор 2. Этот процесс описывается функцией Ψ(π — θ). Детекторы 1 и 2 включены в схему совпадений, и событие считается зарегистрированным, когда в каждый детектор попадет по частице.

Можно ли сделать детектор, различающий α-частицы и ядра углерода? Отвечаем «да», и случаи 1а и 1б различны. Измеряемая величина — доля частиц, рассеянных на данный угол. В случае а) она пропорциональна |Ψ(θ)| 2 , а в случае б) — |Ψ(π — θ)| 2 . А если детектор не различает частицы (например, счетчик Гейгера), тогда вероятность опыта пропорциональна

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Состояния в принципе различны и складываются вероятности.

А при рассеянии α-частиц на ядрах гелия: α + 4 He → α + 4 He (α-частица — это и есть ядро гелия!)? Тут взаимодействуют тождественные частицы, и экспериментальные результаты не согласуются с формулой (5). Полная неразличимость частиц приводит к интерференции рассеянных волн. В этом случае складываются амплитуды

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Если подсчитать по этим формулам вероятности для угла θ = π/2, то вероятности 2|Ψ(π/2)| 2 и |2·Ψ(π/2)| 2 = 4·|·Ψ(π/2)| 2 отличаются в два раза. Ошибиться тут нельзя. Опыт согласуется со вторым значением: для неразличимых частиц складываются амплитуды.

А как обстоит дело с электронами? Электроны в отличие от α-частиц имеют спин (собственный момент количества движения), который может иметь два направления. Если спины взаимодействующих электронов направлены одинаково, то это тождественные частицы, но ни (5), ни (6) неверно. Для них складываются амплитуды в противофазе:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Если спины электронов имеют противоположные направления, детектором можно определить, какой электрон попал в детектор, и складываются вероятности (5).

Приходим к выводу: тождественность микрочастиц существенна при описании взаимодействия этих частиц.

Электроны тождественны, и перестановка двух любых экспериментально обнаружена быть не может: возможны переходы, ведущие к неразличимым экспериментально состояниям.

макрофизикафизика микрочастиц
можно пронумеровать частицы, наблюдать за движением определеннойпонятие траектории не имеет смысла, теряет смысл и различие частиц.

Обозначим волновую функцию, описывающую состояние двух частиц, через Ψ(x1,x2). Здесь x1 — координата первой частицы, x2 — второй. Подействуем на эту функцию оператором перестановки двух частиц местами Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Но начальное и конечное состояния ввиду тождественности частиц неразличимы, и поэтому волновые функции могут отличаться только постоянным сомножителем.

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Подействуем этим оператором еще раз и вернемся к исходной волновой функции

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Получаем a = ± 1. Волновые функции либо меняют знак при перестановке частиц либо нет

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Спины фермионов полуцелые: 1/2ħ, 3/2ħ.

Для фермионов действует принцип Паули: в одном и том же квантовом состоянии не может быть одновременно более одного фермиона, например, электрона. Это утверждение впервые было сформулировано Вольфгангом Паули в 1925 г. Полное обобщённое доказательство этого принципа было им сделано в 1940 г. в рамках квантовой теории поля. Определенное квантовое состояние задается набором квантовых чисел. Например, для атома водорода это четыре числа.

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

В 1945г. Вольфгангу Паули присуждена Нобелевская премия:

W OLFGANG P AULI for the discovery of the Exclusion Principle, also called the Pauli Principle.

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

(за открытие принципа запрета, названного принципом Паули)

Видео:Классические уравнения | уравнение Шрёдингера (координатное представление) | простейший выводСкачать

Классические уравнения | уравнение Шрёдингера (координатное представление) | простейший вывод

Вычисление средних значений

Если известна волновая функция Ψ(x), то можно вычислить значение физических величин, характеризующих данную задачу. Как упоминалось, |Ψ(x)| 2 dx — дает долю частиц, находящихся между x и x + dx. Тогда среднее значение x

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Аналогично надо поступить и любых функций координаты x. Например, среднее значение потенциальной энергии U(x) равно

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

По-другому вычисляется средняя кинетическая энергия, которая зависит не от координаты x, а от импульса. Приведем формулу

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Можно проверить последнее выражение для частного случая n = 1 в прямоугольной бесконечно глубокой потенциальной яме

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

что совпадает со значением полной энергии E в основном состоянии, т.к. потенциальная энергия U полагалась равной нулю.

Видео:Урок 456. Движение микрообъекта в одномерной бесконечно глубокой потенциальной ямеСкачать

Урок 456. Движение микрообъекта в одномерной бесконечно глубокой потенциальной яме

Излучение и поглощение энергии

Чтобы выяснить, излучает ли система, содержащая заряженную частицу, надо вычислить среднее значение координаты. Если среднее значение x колеблется с частотой ν, то согласно законам электродинамики надо ожидать испускания или поглощения излучения такой частоты.

Используем волновую функцию частицы в состоянии с квантовым числом n и энергией EnУравнение шредингера для свободной микрочастицы

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Оказывается, если частица находится в определенном энергетическом состоянии, среднее значение x не зависит от времени, и излучения нет. В 1913 году Нильс Бор для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода постулировал, что атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает. Этот постулат находился в явном противоречии с классической механикой. Уравнение шредингера для свободной микрочастицыРис.3. Уровни энергии.

Теперь рассмотрим систему, в которой есть два состояния с квантовыми числами n, m и соответствующими им энергиями En и Em (рис.3). Принцип суперпозиции в квантовой механике заключается в следующем: если квантовая система может находиться в состояниях, описываемых волновыми функциями Ψn и Ψm, то она может находиться и в состоянии, описываемом волновой функцией

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

где a и b — произвольные коэффициенты. Наблюдая испускание излучения при возвращении в основное состояние n, можно заключить, что система была в состоянии m (т.е. a = 0, b = 1) в какой-то момент времени. Найдем среднее значение x для функции (8).

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

В подынтегральном выражении слагаемые с произведениями Ψ * n·Ψn и Ψ * m·Ψm приводят, как мы видели, к стационарным значениям x и не вызывают излучение или поглощение. Поэтому нас будут интересовать перекрестные произведения

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Получили, что среднее положение частицы представляет собой периодическую функцию времени, умноженную на некоторое число (определенный интеграл по x). Поэтому получаются колебания заряда, и, следовательно, излучение с частотой

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Таким образом, квантовая механика объясняет существование линейчатых спектров и обосновывает вторую гениальную догадку Н.Бора: испускание или поглощение фотонов происходит только с частотами, удовлетворяющими равенству hν = Em — En.

Теперь заметим, что колебаний заряда не будет, если интеграл В (9) равен нулю

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Когда это бывает? В лекции о квантовом гармоническом осцилляторе выписаны волновые функции основного и первых двух возбужденных состояний. Для перехода m = 1 → n = 0 этот интеграл (опуская постоянные коэффициенты)

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

т.к. под интегралом четная функция. Аналогично для перехода m = 2 → n = 1

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

функция под интегралом четная и интеграл нулю не равен. Переходы m = 1 → n = 0 и m = 2 → n = 1 разрешены и сопровождаются излучением кванта.

Теперь проанализируем переход m = 2 → n = 0.

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

т.к. под интегралом нечетная функция. Такой переход запрещен. Детальный анализ волновых функций гармонического осциллятора показывает, что возможны только переходы, при которых квантовое число обязательно меняется на единицу Δn = ±1. Это так называемое правило отбора. Для водородоподобных атомов правила отбора будут свои.

Квантовая механика объясняет основные характеристики испускания и поглощения света.

Если возникли какие-либо вопросы, напишите мне.

Видео:Квантовая механика 41 - Уравнение Шредингера. Гамильтониан.Скачать

Квантовая механика 41 - Уравнение Шредингера. Гамильтониан.

4.5. Уравнение Шредингера для простейших систем

Свободная частица, движущаяся вдоль оси х

Потенциальная энергия равна нулю: Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, и производные по y и z в операторе Лапласа исчезают. Уравнение (4.19) принимает вид

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Введем волновой вектор Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, обозначив

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

и перепишем уравнение в виде

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Существуют, как известно, два линейно независимых решения уравнения (4.22), так что общее решение есть суперпозиция двух волн — или стоячих:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

или бегущих:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

(первый член — волна бежит направо, второй — налево; постоянные Уравнение шредингера для свободной микрочастицыи Уравнение шредингера для свободной микрочастицыпроизвольны). Аналогия: такие же решения описывают колебания свободной струны. Поскольку возможны волны с произвольным значением волнового числа Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, энергия частицы (Уравнение шредингера для свободной микрочастицы) также может принимать любые значения, то есть, в данном случае свободного инфинитного движения — не квантуется. Для частицы, движущейся в произвольном направлении вдоль произвольно направленного волнового вектора Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, справедливы те же решения при замене

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

При решении большинства задач квантовой механики следует обратить внимание на то, что волновая функция всегда должна быть непрерывной — вероятность пребывания частицы не может меняться скачком от точки к точке. Кроме того, если потенциальная энергия непрерывна или имеет скачки, но только первого рода (конечные скачки) и не имеет бесконечных скачков (скачков второго рода), то из уравнения Шредингера следует, что и первая производная волновой функции также непрерывна.

Частица в бесконечно глубокой потенциальной яме

Потенциальная энергия в этой задаче имеет вид

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Такая система соответствует частице, движущейся вдоль прямой линии и отскакивающей от абсолютно отражающих препятствий в точках Уравнение шредингера для свободной микрочастицыи Уравнение шредингера для свободной микрочастицы. В область бесконечного потенциала частица проникнуть не может, следовательно, Уравнение шредингера для свободной микрочастицыза пределами отрезка Уравнение шредингера для свободной микрочастицы. Внутри ямы Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, и стационарное уравнение Шредингера имеет тот же вид, как для свободной частицы. Получатся те же решения в виде суперпозиции стоячих (или бегущих) волн, но в отличие от предыдущего случая добавятся граничные условия. Именно, в точках Уравнение шредингера для свободной микрочастицыи Уравнение шредингера для свободной микрочастицыволновая функция должна обращаться в нуль (поскольку она непрерывна и равна нулю вне ямы). В классической механике точно такие граничные условия имеет уравнение для струны с закрепленными концами.

Общее решение имеет вид

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Используем сначала первое граничное условие

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Мы получили, что решение уравнения Шредингера должно иметь вид

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Если продолжить нашу аналогию, то можно сказать, что на струне, закрепленной в одной точке, бегущих волн не бывает: отражение от неподвижной точки обязательно порождает стоячую волну. Однако на длину волны никаких ограничений не накладывается.

Теперь наложим второе из граничных условий:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Здесь есть два типа решений. При Уравнение шредингера для свободной микрочастицыполучаем

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

что означает отсутствие частицы в яме (вероятность найти ее всюду равна нулю). Поэтому нас интересует второе – нетривиальное – решение, когда

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Это возможно лишь при некоторых значениях волнового вектора:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Так как энергия частицы связана с волновым вектором, то

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Мы получили квантование энергии, то есть наша «струна», закрепленная с обеих сторон, зазвучала, так как появились выделенные частоты.

Подставляя найденные разрешенные значения волнового вектора в выражение для волновой функции, получаем ее в виде

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Смысл квантового числа: оно на единицу больше числа нулей волновой функции. Значение постоянной

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

определяется из условия нормировки.

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Рис. 4.8. Уровни энергии, волновые функции и распределение плотности вероятностей по координате x

Отметим, что значения Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, при которых граничное условие в точке Уравнение шредингера для свободной микрочастицытакже будет выполнено, новых состояний не дают. Это видно и из выражения для энергии (4.24), в которое n входит в квадрате, и из выражения для волновой функции (4.25): изменение знака n приведет лишь к изменению знака волновой функции Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, что оставит неизменным распределение вероятностей Уравнение шредингера для свободной микрочастицы.

Откуда же берется дискретность уровней энергии, характерная и для атома? Сравним со свободной частицей: уравнения те же, но с иными граничными условиями! Здесь возможны две постановки задачи. В первом случае исследуется состояние, которому в классической механике соответствовало бы инфинитное движение (задача рассеяния). Обычно в таких случаях решения возможны при любых значениях энергии (как говорят, спектр непрерывен). Во втором случае исследуется состояние, которому в классике соответствует финитное движение в ограниченной области пространства (задача на связанные состояния). Требование конечности волновой функции во всем пространстве ведет к квантованию энергии. Подчеркнем: в этом случае стационарное уравнение имеет физически приемлемые решения не всегда, а лишь при некоторых значениях энергии Уравнение шредингера для свободной микрочастицы. Как следствие возникает дискретный спектр энергии системы.

Пример. Определим разность соседних уровней энергии Уравнение шредингера для свободной микрочастицыдля частицы в бесконечно глубокой потенциальной яме при больших значениях n. Полученный результат используем для оценки разности энергий соседних уровней энергии поступательного движения молекул азота при комнатной температуре Уравнение шредингера для свободной микрочастицыв сосуде. Примем массу молекулы Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, а линейный размер сосуда Уравнение шредингера для свободной микрочастицы. Сравним полученный результат с кинетической энергией поступательного движения молекул азота.

Используя выражение (4.24) для уровней энергии частицы в потенциальной яме, находим разность энергий соседних уровней

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

при больших значениях Уравнение шредингера для свободной микрочастицы. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул азота равна

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Приравнивая Уравнение шредингера для свободной микрочастицывыражению (4.24) для энергии уровней частицы в яме, находим, что такая энергия соответствует квантовым числам порядка

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Уже само по себе это число говорит о том, что в области крайне высоких возбуждений работают классические формулы. Разность энергий соседних уровней получается, подстановкой в формулу для Уравнение шредингера для свободной микрочастицынайденного выражения для квантового числа:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

В электрон-вольтах те же характеристики имеют значения

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Относительная разность энергий соседних уровней ничтожно мала:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

и потому в классическом пределе квантовой дискретностью пренебрегают.

Частица в трехмерной потенциальной яме

Это обобщение предыдущей задачи. Частица может двигаться в кубическом объеме с длиной ребра Уравнение шредингера для свободной микрочастицы. Нетрудно убедиться, что общее решение для волновой функции представимо в виде произведения одномерных волновых функций, полученных в предыдущей задаче:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Такая волновая функция соответствует очевидному факту, что движения вдоль трех осей не зависят друг от друга, и каждое описывается прежними одномерными волновыми функциями. Энергия, как легко догадаться, будет равна сумме энергий движения по осям x, y, z:

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Рис. 4.9. Трёхмерная потенциальная яма

Состояние системы теперь определяется тремя квантовыми числами Уравнение шредингера для свободной микрочастицы1, Уравнение шредингера для свободной микрочастицы2 и Уравнение шредингера для свободной микрочастицы3, принимающими, как и прежде; целые значения. Здесь мы впервые сталкиваемся с важным понятием вырождения энергетических уровней, то есть с ситуацией, когда разные состояния системы имеют одинаковую энергию. В самом деле, минимальная энергия системы достигается при минимальных значениях всех квантовых чисел, то есть при Уравнение шредингера для свободной микрочастицы1, Уравнение шредингера для свободной микрочастицы2, Уравнение шредингера для свободной микрочастицы3. Эта энергия равна

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

и ей соответствует одна волновая функция Уравнение шредингера для свободной микрочастицы. Говорят, что основное состояние не вырождено (невырожденность состояния с минимальной энергией — общее правило). Первое возбужденное состояние получается, когда одно из квантовых чисел равно 2, а остальные по-прежнему равны единице; энергия его

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Но такую энергию имеют теперь три состояния с волновыми функциями Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, Уравнение шредингера для свободной микрочастицы, и Уравнение шредингера для свободной микрочастицы(квантовое число 2 можно выбрать тремя способами), поэтому говорят, что кратность вырождения первого возбужденного уровня равна трем (g = 3). Естественно, в другой системе может быть совершенно иная кратность вырождения (или отсутствие такового). Последующие состояния частицы в трехмерной потенциальной яме с бесконечными стенками также вырождены. Ясно, что вырождение уровней связано с симметрией системы, с равноправием всех осей. Если бы размеры ямы были разными Уравнение шредингера для свободной микрочастицы1, Уравнение шредингера для свободной микрочастицы2, Уравнение шредингера для свободной микрочастицы3 то всем трем направлениям, то для энергии мы бы получили вместо (4.27) выражение

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

и вырождение могло бы иметь место лишь при определенных соотношениях между длиной, шириной и высотой потенциального ящика.

Одномерный осциллятор

В классической физике пружинный маятник (одномерный осциллятор) представляет собой точечное тело массой m, прикрепленное к пружине и колеблющееся с круговой частотой Уравнение шредингера для свободной микрочастицы. Потенциальная энергия такой системы описывается выражением

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

так что уравнение Шредингера записывается в виде

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Отсюда можно найти решение для волновой функции основного состояния

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Подставляя это выражение в уравнение Шредингера, легко убедиться, что энергия основного состояния равна

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Мы не выписываем волновые функции возбужденных состояний осциллятора, но выражение для разрешенных значений энергии имеет вид ( Уравнение шредингера для свободной микрочастицы— колебательное квантовое число)

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Здесь воспроизводится формула Планка и нулевые колебания

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы,

полученные ранее из соотношения неопределенностей (см. разд. 3.3).

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Рис. 4.10. Уровни энергии и распределения плотности вероятностей по координате x для разных значений колебательного квантового числа. График потенциальной энергии осциллятора показан синей линией

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

Рис. 4.11. Распределения вероятностей для классического (пунктир) и квантового (сплошная линия) осцилляторов.
a) n = 1; б) большие значения n

Трехмерный осциллятор

Эта задача является обобщением предыдущей. Как и для трехмерной потенциальной ямы с бесконечно высокими стенками, волновая функция представляется в виде произведения волновых функций одномерных осцилляторов, колеблющихся независимо вдоль осей Уравнение шредингера для свободной микрочастицы,Уравнение шредингера для свободной микрочастицы,Уравнение шредингера для свободной микрочастицы. Так, волновая функция основного состояния имеет вид

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

а уровни энергии трехмерного осциллятора описываются формулой

Уравнение шредингера для свободной микрочастицы

В отличие от одномерного осциллятора состояние определяется значениями трех квантовых чисел Уравнение шредингера для свободной микрочастицы1, Уравнение шредингера для свободной микрочастицы2, Уравнение шредингера для свободной микрочастицы3. Легко понять, что все возбужденные состояния должны быть вырожденными.

📽️ Видео

свободная частица | одномерные задачи | задачи по квантовой механикеСкачать

свободная частица | одномерные задачи | задачи по квантовой механике

Петров С.В. - Квантовая механика - 7. Особенности решения уравнения ШредингераСкачать

Петров С.В. - Квантовая механика - 7. Особенности решения уравнения Шредингера

Урок 454. Понятие о волновой функцииСкачать

Урок 454. Понятие о волновой функции

Структура материи 6: уравнение Шрёдингера. Зачем нужна квантовая механика – Виталий Бейлин | НаучпопСкачать

Структура материи 6: уравнение Шрёдингера. Зачем нужна квантовая механика – Виталий Бейлин | Научпоп

Урок 32. Уравнение ШрёдингераСкачать

Урок 32. Уравнение Шрёдингера

Петров С.В. - Квантовая механика - 6. Вырожденный спектр и уравнение ШредингераСкачать

Петров С.В. - Квантовая механика - 6. Вырожденный спектр и уравнение Шредингера

QM_03 (Операторы импульса и энергии, уравнение Шредингера)Скачать

QM_03 (Операторы импульса и энергии, уравнение Шредингера)

Лекция №4 "Волновая функция. Уравнение Шредингера" (Гавриков А.В.)Скачать

Лекция №4 "Волновая функция. Уравнение Шредингера" (Гавриков А.В.)

1D Schrödinger equation model 6Скачать

1D Schrödinger equation model 6

Елютин П. В. - Квантовая теория I - Свойства решений стационарного уравнения ШредингераСкачать

Елютин П. В. -  Квантовая теория I -  Свойства решений стационарного уравнения Шредингера

Классические уравнения | одномерное стационарное уравнение Шрёдингера | беск. потенц. яма | 1Скачать

Классические уравнения | одномерное стационарное уравнение Шрёдингера | беск. потенц. яма | 1
Поделиться или сохранить к себе: