- •Электроны в твердых телах Мурзакаев а.М.
- •Глава 1 Элементы квантовой механики.
- •Глава 2. Зонная теория твердых тел.
- •Глава 3. Статистика носителей заряда в твердых телах.
- •Глава 4. Электропроводность твердых тел.
- •Глава 1. Элементы квантовой механики
- •1.1. Экспериментальные и теоретические предпосылки квантовой механики
- •1.2. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •1.3. Волновая функция свободного электрона. Статистический смысл волновой функции
- •1.4. Соотношения неопределенностей Гейзенберга
- •1.5. Уравнение Шредингера
- •1.6. Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •1.7. Квантовый гармонический осциллятор
- •1.8. Прохождение частиц через потенциальный барьер. Туннельный эффект
- •1.9. Водородоподобные атомы
- •Глава 2 зонная теория твердых тел
- •2.1. Движение электронов в периодическом поле кристалла. Уравнение Шредингера для кристалла
- •2.2. Энергетические зоны в приближении сильной связи
- •2.3. Общие свойства волновой функции электрона в периодическом потенциале. Теорема Блоха
- •2.4. Модель Кронига-Пенни
- •2.5. Энергетические зоны в модели Кронига-Пенни
- •2.6. Заполнение энергетических зон электронами. Металлы, диэлектрики и полупроводники
- •2.7. Эффективная масса электрона в кристалле и ее физический смысл
- •2.8. Собственные полупроводники. Понятие о дырках
- •2.9. Примесные полупроводники
- •Глава 3 статистика носителей заряда в твердых телах
- •3.1. Статистическое описание коллектива частиц.
- •Функция распределения частиц по состояниям. Фермионы и бозоны
- •3.2. Функция распределения Ферми-Дирака. Уровень Ферми. Энергия Ферми. Влияние температуры на распределение Ферми-Дирака
- •3.3. Функция плотности состояний электронов и дырок
- •3.4. Концентрации электронов и дырок в полупроводнике. Закон действующих масс. Невырожденный газ электронов и дырок
- •3.5. Уровень Ферми в полупроводниках
- •3.6. Равновесные и неравновесные носители заряда. Квазиуровни Ферми
- •Глава 4 электропроводность твердых тел
- •4.1. Дрейф свободных носителей заряда в электрическом поле
- •4.2. Электропроводность металлов
- •4.3. Электропроводность собственных полупроводников
- •4.4. Электропроводность примесных полупроводников
1.5. Уравнение Шредингера
Волновая функция в виде плоской монохроматической волны описывает частный случай движения квантово-механической частицы - движение свободной частицы. Именно микрочастица, которая не подвергается какому-либо внешнему воздействию, описывается волной де Бройля. Возникает вопрос, какой вид будет иметь волновая функция и как ее найти, если частица не является свободной, находится, например, во внешнем поле? В классической физике существует уравнение, описывающее движение тела в самом общем случае - это основное уравнение динамики, второй закон Ньютона. В квантовой физике также существует уравнение, с помощью которого можно описать состояние микрочастицы в разнообразных условиях. Это уравнение называется уравнением Шредингера. Так же, как и уравнение Ньютона, уравнение Шредингера не выводится, его справедливость подтверждается многочисленными экспериментальными фактами, являющимися следствием этого уравнения.
Уравнение Шредингера - это дифференциальное уравнение, неизвестной в котором является волновая функция микрочастицы (r,t), зависящая в общем случае от координат и времени. В случае потенциальных силовых полей, описываемых потенциальной энергией U(r), общее уравнение Шредингера имеет вид
(1.23)
здесь i - мнимая единица; m - масса частицы; r - радиус-вектор, определяющий ее положение; - оператор Лапласа, который в прямоугольной декартовой системе координат записывается в виде
(1.24)
Волновая функция - комплексная величина и поэтому физического смысла не имеет. Но нахождение волновой функции в результате решения уравнения Шредингера позволяет вычислить наблюдаемую физическую величину - плотность вероятности или плотность распределения координат частицы w(r,t):
(1.25)
Вероятность обнаружения частицы в бесконечно малом элементе объема dV будет равна, очевидно, , а вероятность обнаружить частицу внутри конечного объема V можно вычислить с помощью интеграла по этому объему: .
Таким образом, задача квантовой механики состоит в определении вероятностей тех или иных событий с помощью волновой функции, являющейся решением уравнения Шредингера. По вероятностям можно найти средние значения случайных физических величин, т.е. рассчитать те параметры, которые можно измерить.
Как любое линейное дифференциальное уравнение в частных производных уравнение Шредингера имеет множество решений. Причем, всякая линейная комбинация любых частных решений также является решением этого уравнения.
Среди решений уравнения Шредингера есть стационарные. Стационарными называются состояния, в которых ни одна из квантово-механических вероятностей не изменяется со временем. Для любого стационарного состояния волновую функцию можно записать в виде
(1.26)
где функция зависит только от координат частицы; - вещественный параметр (частота волновой функции), который связан с энергией этого состояния E равенством .
С учетом (1.26) уравнение Шредингера принимает вид
(1.27)
Уравнение (1.27) называется уравнением Шредингера для стационарных состояний или стационарным уравнением Шредингера. Волновая функция , входящая в это уравнение, описывает состояние микрочастицы в стационарных состояниях. Уравнение Шредингера (1.23) называется общим уравнением Шредингера.
Потенциальная функция в уравнениях (1.23) и (1.27) определяется так же, как в классической физике, т.е. как потенциальная энергия точечной частицы, локализованной в некоторой точке силового поля, координаты которой определяются радиусом-вектором r.
Стационарное уравнение Шредингера необходимо дополнить граничными условиями, которые накладывают определенные условия на волновую функцию на границах областей с разными значениями потенциальной энергии U(r). Физический смысл этих условий заключается в том, что решения уравнения Шредингера должны переходить друг в друга без скачков на границах соседних областей. Для этого необходимо, чтобы на границе раздела областей были однозначны и непрерывны волновая функция и ее первые пространственные производные:
(1.28)
где индексы 1 и 2 соответствуют значениям функций на границе двух соседних областей.