7) Длина волны де Бройля. Опытное обоснование корпускулярно-волнового дуализма. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Де Бройль предположил, что длина волны, отвечающая материальной частице, связана с ее импульсом так же, как в случае фотона p = h / λ.

Любой частице с массой m, которая движется со скоростью V, соответствует волна, для которой длина волны λ = h / p = 2πћ / p = h /mV

Гипотеза Де Бройля была подтверждена экспериментально. Пучок электронов, рассеивающийся от естественной дифракционной решетки, дает отчетливую дифракционную картину. В дальнейшем формула Де Бройля была подтверждена опытами, в которых наблюдалась дифракционная картина при прохождении пучка быстрых электронов через металлическую фольгу. Было доказано что в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая дифракционная картина не отличается от картин для потоков электронов в миллионы раз более интенсивных. => волновые свойства частиц не являются свойством их коллектива, а присущи каждой частице.

Для описания микрочастиц используются то волновые, то корпускулярные представления. Поэтому им нельзя приписывать все свойства частиц и волн. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга микрочастица е может иметь одновременно и определенную координату (x,y,z) и определенную соответствующую проекцию импульса (px,py,pz), причем неопределенности этих величин удовлетворяют условиям, т.е. произведение координаты и соответствующей ей проекции импульса не может быть меньше величины порядка h. Из соотношения следует, что, например, если частица находится в состоянии с точным значением координаты, то в этом состоянии проекция ее импульса оказывается совершенно неопределенной, и наоборот.

Уравнение Шредингера. Собственные функции и собственные значения. Стационарное уравнение Шредингера. Квантово-механическое представление свободно движущейся частицы.

i*ћ* ∂ψ/ ∂t = - ћ^2 *Δψ/ 2m  + U(x,y,z,t)* ψ

m – масса микрочастицы, Δ - оператор Лапласа (в декартовых координатах оператор Лапласа имеет вид Δ= ∂^2/∂x^2 + ∂^2/∂y^2 + ∂^2/∂z^2), U(x,y,z,t) − функция координат и времени, описывающая воздействие на частицу силовых полей.

Уравнение называется общим уравнением Шредингера. Оно дополняется условиями, накладываемыми на функцию Ψ :

1) Ψ − конечная, непрерывная и однозначная.

2) производные от Ψ по x, y, z, t непрерывны.

3) функция |Ψ|^2 должна быть интегрируема.

ћ^2 *Δψ/ 2m + (E - U(x,y,z,t))* ψ = 0

Это уравнение не содержит времени и называется стационарным уравнением Шредингера.

Физический смысл имеют только регулярные волновые функции — конечные,

однозначные и непрерывные вместе со своими первыми производными. Эти

условия выполняются только при определенном наборе E . Эти значения

энергии называются собственными. Решения, которые соответствуют

собственным значениям энергии, называются собственными функциями.

Собственные значения E могут образовывать как непрерывный, так и

дискретный ряд. В первом случае говорят о непрерывном (или сплошном)

спектре, во втором — о дискретном спектре.

Свободная частица − движется с постоянной скоростью V в отсутствии силовых полей, т.е. U(x, y, z)≡0. Уравнение Шредингера примет вид: ∂^2 ψ /∂x^2 + k^2 ψ =0, где k^2=2mE / ћ^2

Частное решение ψ(x) = A0*cos(kx);

в комплексной форме - ψ(x) = A0*e^(ikx)+B0*e^(-ikx)

ψ(x,t) = A0*e^[-i(ωt - kx)]+B0*e^[-i(ωt + kx)] = A0*e^[-i/ ћ *(Et - px)]+B0*e^[- i/ ћ (Et + px)] – полная волновая ф-ия.

Это есть суперпозиция двух волн Де Бройля, распространяющихся одна в положительном, другая в отрицательном направлениях, что соответствует движение частицы вдоль (B0=0) или против (A0=0) оси x.

Уравнение Шредингера. Квантомеханическое описание частицы в бесконечно глубокой прямоугольной потенциальной яме.

Частица в яме. Проведем качественный анализ решений уравнения Шредингера применительно к частице в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками». Такая «яма» описывается потенциальной энергией вида (для простоты принимаем, что частица движется вдоль оси х)

где / — ширина «ямы», а энергия отсчиты-вается от ее дна (рис. 296).

Уравнение Шредингера (217.5) для стационарных состояний в случае одномерной задачи запишется в виде

 

На        границах «ямы» (при х = 0и х = /) непрерывная волновая                функция

также      должна

обращаться в нуль. Следовательно, гра­ничные условия в данном случае имеют вид

микрочастиц описывается принципиально по-новому — с помощью волновой функции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах. Вероятность нахождения частицы в элементе объемом dV равна

Величина

(квадрат модуля Чг-функции) имеет смыслу плотности вероятности, т. е. определяет вероятность нахождения частицы в единичном объеме в окрестности точки с координатами х, у, z. Таким образом, физический смысл имеет не сама        ^--функция,        а        квадрат        ее

модуля.-К    I   , которым за­дается интенсивность волн де Бройля.

Вероятность найти частицу в момент времени в конечном объеме V, согласно теореме сложения вероятностей, равна