
Общее (нестационарное) уравнение Шредингера
Состояние
движения микрообъекта задается не
координатами и импульсами, не траекторией,
как в макромире, а некоторой функцией
координат и времени, носящей в общем
случае комплексный и волновой характер.
В микромире обнаружился более общий,
статистический характер детерминизма,
причинности. Однозначные детерминизм
и причинность классической механики,
адекватные движениям макрообъектов,
оказались лишь огрубленным приближением.
Вероятностный детерминизм в поведении
микрообъектов проявляется в наличии
некоторого уравнения, связывающего
заданными взаимодействиями (граничными
условиями) начальную и будущую волновые
функции. Это уравнение, найденное
Шредингером и получившее его имя,
является исходным, фундаментальным
уравнением квантовой механики, подобно
уравнению 2 - ого закона Ньютона для
классической механики. В рамках квантовой
механики оно ниоткуда не выводится, а
его справедливость подтверждается всей
совокупностью его следствий, сопоставляемых
с опытными фактами. Решением этого
уравнения и является функция состояния
движения квантового объекта - волновая
функция. Поясним вид этого уравнения в
простейшем одномерном случае, на примере
свободной частицы, движущейся вправо
вдоль оси х. Вид волновой функции такой
частицы известен - это плоская волна де
Бройля
.
Для свободной частицы потенциальная
функция (энергия) U равна нулю, и полная
энергия Е равна кинетической энергии:
E = T + U = Т = m2/2
= р2/2m
(p = m).
Т. к. E ~
,
то легко выявляется инвариантная
дифференциальная взаимосвязь и образующая
собой квантовое уравнение движения
частицы. Для этого надо взять частную
производную от волновой функции по
времени, которая фактически сведется
к умножению ее на энергию Е:
;
и затем два раза продифференцировать волновую функцию по координате; при этом у волновой функции появится множитель р2. А затем, используя связь Е = р2/2m, можно связать первую производную от волновой функции по времени и вторую производную по координате. Эта взаимосвязь и будет представлять собой искомое дифференциальное уравнение для волновой функции свободной частицы, т. е. уравнение Шредингера:
В
общем случае, для частицы, движущейся
в силовом поле, задаваемом потенциальной
энергией, точнее, потенциальной функцией
U(х, t), полная энергия Е частицы будет
равна сумме
,
и уравнение Шредингера, называемое
общим или временным, примет вид:
или в 3-х мерном случае:
где
- оператор Лапласа, представляющий собой
сумму вторых частных производных по
пространственным координатам.
Уравнение
Шредингера позволяет однозначно находить
волновую функцию по известным начальным
[]
и граничным {U(x, y, z, t)} условиям и в этом
смысле оно определяет динамически
закономерную связь состояний движения
квантового объекта. Напомним, что
волновая функция, через квадрат своего
модуля задает, определяет плотность
вероятности нахождения частицы в данном
месте в данный момент времени, а это
есть функция статистического распределения.
Волновая функция подчиняется так называемым стандартным или естественным условиям (фактически условиям физической реализуемости). К ним относят следующие условия:
1. Непрерывность. Разрывы волновой функции будут означать и наличие разрывов квадрата ее модуля, за которыми стоят разрывы плотности вероятности и самой вероятности нахождения частицы в том или ином месте. А это означает эффекты рождения или уничтожения частиц, с чем обычная квантовая механика непосредственно дела не имеет.
2. Однозначность. В случае неоднозначности волновой функции не может реализоваться принцип детерминизма и предсказуемости квантовомеханического состояния объекта, а с ними и суть научности в отображении природы.
3. Гладкость. (дифференцируемость) означает конечность и непрерывность первых производных волновой функции. Это требование связано с тем, что уравнение Шредингера содержит вторые производные от - функции, которые для негладкой функции будут принимать бесконечные значения.
4. Конечность. При наличии бесконечных значений волновой функции ее невозможно отнормировать и применить понятие самой вероятности.
Уравнение Шредингера ограничивает квантовомеханический анализ случаем малых скоростей (медленных движений), т. е. является основой нерелятивистской квантовой теории и не учитывает четвертую (спиновую) степень свободы микрообъекта. В 1929 г. Дирак получил для электрона более общее уравнение, учитывающее спин и являющееся релятивистским. Его анализ выходит за рамки нашего курса.
Стационарные состояния и уравнение Шредингера для стационарных состояний
Частным,
но важным для практики случаем состояния
движения микрообъектов, является случай
так называемых стационарных состояний,
при которых силовая функция U(x, y, z, t) =
U(x, y, z) - не зависит от времени и приобретает
смысл потенциальной энергии. Соответственно,
полная энергия системы
(система консервативна) точно определяется,
ибо можно реализовать при t
,
Е
0.
В
стационарном состоянии распределение
вероятностей местонахождения частицы
(плотность вероятности) должна оставаться
постоянным во времени, то есть
.
Отсюда следует, что волновую функцию в
стационарном состоянии можно представить
в виде произведения:
.
Здесь зависимость (t)
носит гармонический характер, и
=
const.
Примером
волновой функции в стационарном состоянии
является плоская волна де Бройля,
описывающая состояние движения свободной
частицы, для которой U(x, y, z) = const = 0. Для
свободной частицы сохраняется (остается
неизменным) импульс, и для нее
- в волновой функции разделяются
множители: пространственный
(х,
у, z), играющий
роль амплитуды
волновой функции, и временной
,
определяющий гармонический характер
изменения волновой функции во времени.
Подставив волновую функцию в виде плоской волны де Бройля в общее, временное уравнение Шредингера, получим после сокращений уравнение Шредингера для стационарных состояний:
Полученное уравнение называют еще стационарным уравнением Шредингера или уравнением Шредингера не зависящим от времени