- •Свободная частица
- •Такой частице, помимо координаты х можно приписать несколько однозначно связанных между собой наблюдаемых:
- •Квантово-механическое описание
- •Чтобы найти константу k, продифференцируем дважды любое частное решение и подставим вторую производную вместо левой части уравнения:
- •Вопросы для самоконтроля
- •Список рекомендуемой литературы
Свободная частица
Свободной (или изолированной) называется частица, на которую не действуют никакие внешние силы: F = 0. Другое, эквивалентное, определение выглядит так: во всей области пространства, доступной частице, ее потенциальная энергия равна нулю: U (x, y, z) = 0.
Модель свободной частицы является самой простой из физических моделей. Один из главных признаков этой простоты — одномерность. Одномерность означает, что частица может двигаться только вдоль выделенной прямой линии. Для свободной частицы такой одномерный случай всегда возникает сам собой — начав двигаться в определенном направлении, частица уже не может отклониться от него. В результате, при любых начальных условиях свободная частица всегда движется вдоль некоторого пространственного направления, с которым можно совместить координатную ось, например х. Тогда текущее механическое состояние частицы может быть однозначно задано всего одним параметром (значением наблюдаемой) — координатой х в виде единственного числа (x = xi) или в виде функции распределения Рx = f (x).
Конкретное описание частицы может быть построено в двух вариантах: классическом и квантовом. Классический вариант получается тогда, когда частица имеет макроскопические размеры и за ее движением можно непосредственно наблюдать. Результаты экспериментальных измерений над макрочастицей будут иметь классический характер и составят классическое описание. Квантовый вариант получается при рассмотрении микроскопической частицы. Такую частицу можно наблюдать только специальным способом — с помощью спектральных анализаторов. Результаты измерений будут иметь вероятностный характер, и их описание будет с необходимостью квантовомеханическим, т.е. на основе функций распределения и вспомогательных волновых функций.
Классическое описание
В классической механике описание свободной частицы дается законом Ньютона: в отсутствие внешних сил частица движется равномерно и прямолинейно. Уравнение эволюции (движения) имеет очень простой вид: х = хо + v • t , где v — скорость, а t — время.
Такой частице, помимо координаты х можно приписать несколько однозначно связанных между собой наблюдаемых:
-
скорость vх = dx/dt,
-
импульс px = mv,
-
кинетическая энергия T = p2/2m = mv2/2.
Можно заметить, что все наблюдаемые свободной частицы выражаются через текущую координату (x) и время (t). Поскольку в классической механике в каждый момент времени координата может быть точно определена в виде числа, то и все остальные наблюдаемые выражаются числами. Их конкретные величины зависят от начальных условий и могут иметь любые значения. Другими словами, спектры этих наблюдаемых относятся к типу сплошных (непрерывных). Кроме того, ввиду отсутствия сил, всегда выполняется закон сохранения энергии (T = const). Такие состояния в механике называются стационарными. Следовательно, любое допустимое состояние свободной частицы стационарно, и произвольно заданное начальное значение энергии (и всех связанных с ней наблюдаемых) сохраняется навсегда.
Из равномерности движения свободной частицы вытекает еще одна особенность, которую целесообразно сформулировать на языке вероятностей. Если выделить на оси движения некоторый интервал х, то вероятность обнаружить частицу именно в этом интервале не зависит от того, в каком месте оси х находится данный интервал (при условии, что величина интервала неизменна) . Другими словами, функция распределения наблюдаемой х имеет вид Рх = const и ни одна точка оси х не отличается в этом отношении от любой другой аналогичной точки.