Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Квант.оп.ат.физ.-пособие.doc
Скачиваний:
12
Добавлен:
06.12.2018
Размер:
2.34 Mб
Скачать

4.2. Уравнение Шредингера

Микрочастицы обладают волновыми свойствами, поэтому классическая механика не может дать правильного описания их поведения. Квантовая механика создана Э.Шредингером, В. Гайзенбергом, П. Дираком и другими учеными. Основное уравнение нерелятивистской квантовой механики в 1926 году сформулировано Э. Шредингером.

Нестационарное (общее) уравнение Шредингера:

,

где – оператор Лапласа (записан в декартовых координатах); – потенциальная энергия частицы в силовом поле; – масса микрочастицы; ; – постоянная Планка; – мнимая единица. Уравнение справедливо для любой частицы, движущейся с малой (по сравнению со скоростью света) скоростью.

Рассмотрим свободно движущуюся частицу, которой, согласно идее де Бройля, сопоставляется плоская волна. Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль оси , имеет вид:

.

Это выражение в комплексном виде: , где – полная энергия частицы; – длина волны; – волновое число.

Получим для одномерного случая свободно движущейся частицы волновую функцию:

.

Зависимость энергии от импульса:

. (26)

Дифференцируя функцию один раз по и дважды по , получаем:

; .

Из этих соотношений найдем и через функцию и ее производную:

, .

Подставляя эти выражения в (26), получаем дифференциальное уравнение:

.

Если направление волны не совпадает с осью , фаза колебаний будет зависеть от координат (). Для этого случая уравнение имеет вид:

.

Учитывая (26), получаем стационарное уравнение для свободной частицы:

.

Это уравнение совпадает с уравнением Шредингера для случая , так как мы рассматривали свободную частицу.

Если частица движется в силовом поле, характеризуемом потенциальной энергией , то полная энергия складывается из кинетической и потенциальной энергий.

Полная энергия микрочастицы:

,

где и не зависит явно от времени.

Уравнение Шредингера для стационарных состояний:

.

4.3. Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками»

Проведем качественный анализ решений уравнения Шредингера применительно к частице в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» шириной с бесконечно высокими «стенками». Такая «яма» описывается потенциальной энергией вида (для простоты принимаем, что частица движется вдоль оси ) (рис.21):

Поскольку функция зависит от одной координаты , уравнение Шредингера имеет вид:

.

Так как «стенки» ямы бесконечно высокие, то частица не проникает за пределы «ямы», поэтому вероятность обнаружения (а, следовательно, и волновая функция) за пределами «ямы» равна нулю. Из условия непрерывности функции на границах «ямы» волновая функция также должна обращаться в нуль.

Следовательно, граничные условия:

(27)

(28)

В пределах «ямы» уравнение Шредингера имеет вид:

.

Введем обозначение , тогда получим уравнение, известное из теории колебаний (уравнение свободных незатухающих колебаний): .

Решение такого уравнения имеет вид:

. (29)

С учетом условия (27) из уравнения (29) следует: . С учетом условия (28) из уравнения (29) следует: , что возможно лишь в случаях (=1, 2, 3…).

Следовательно, решение уравнения Шредингера имеет физический смысл не при всех значениях энергии , а лишь при значениях энергий удовлетворяющих соотношению:

.

Поскольку , получаем , т.е.

.

Отсюда (=1,2,3…).

Таким образом, уравнение Шредингера, описывающее движение частицы в «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками», удовлетворяется только при собственных значениях , зависящих от целого числа . Следовательно, энергия частицы не может быть произвольной, а принимает лишь определенные дискретные значения, т.е. квантуется. Квантовые значения энергии называются уровнями энергии, а число , определяющее энергетические уровни частицы, называется квантовым числом.

Оценим энергетический интервал между двумя соседними уровнями:

,

,

.

Таким образом, применение уравнения Шредингера к частице в «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками» приводит к квантованным значениям энергии, в то время как классическая механика на энергию частицы никаких ограничений не накладывает.

Определим коэффициент в уравнении

.

С учетом

. (30)

Для нахождения коэффициента воспользуемся условием нормировки:

.

Подставив в это выражение (30), получаем:

.

Значение интеграла можно получить, умножив среднее значение (равное 1/2) на длину промежутка . В результате получаем:

, .

С обственные функции имеют вид:

.

Графики этой функции, соответствующие уровням энергии при =1,2,3,4, изображены на рис.22. Из рисунка видно, что частица в состоянии с =2 не может быть обнаружена в середине ямы и вместе с тем одинаково часто бывает как в левой, так и в правой половинах ямы. Такое поведение частицы не совместимо с представлением о траекториях. Согласно классическим представлениям, все положения частицы в яме равновероятны.