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


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 l — ширина «ямы», а энергия отсчитывается от ее дна (рис. 296).

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

 

 

(220.1)

 

По условию задачи (бесконечно высокие «стенки»), частица не проникает за пределы «ямы», поэтому вероятность ее обнаружения (а, следовательно, и волновая функция) за пределами «ямы» равна нулю. На границах «ямы» (при х=0 и х=-1) непрерывная волновая функция также должна обращаться в нуль. Следовательно, граничные условия в данном случае имеют вид

 

(220.2)

В пределах «ямы» (0≤х≤l)уравнение Шредингера (220.1) сведется к уравнению

 

или

 

(220.3)

где

(220.4)

Общее решение дифференциального уравнения (220.3):

Так как по (220.2) ψ(0)=0, то В=0. Тогда

(220.5)

Условие (220.2) ψ(1) A sin =0 выполняется только при , гдеn— целые числа, т. е. необходимо, чтобы

(220.6)

Из выражений (220.4) и (220.6) следует, что

(220.7)

т. е. стационарное уравнение Шредингера, описывающее движение частицы в «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками», удовлетворяется только при собственных значениях En, зависящих от целого числа n. Следовательно, энергия Еn частицы в «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками» принимает лишь определенные дискретные значения т. е.квантуется. Квантованные значения энергии Еn называютсяуровнями энергии, а число n, определяющее энергетические уровни частицы, называетсяглавным квантовым числом. Таким образом, микрочастица в «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками» может находиться только на определенном энергетическом уровне Еn или, как говорят, частица находится в квантовом состоянии n.

Подставив в (220.5) значение k из (220.6), найдем собственные функции:

 

Постоянную интегрирования А найдем из условия нормировки (216.3), которое для данного случая запишется в виде

 

 

Рис. 296

В результате интегрирования получим А =√2/1, а собственные функции будут иметь вид

(n = 1,2,3,…) (220.8)

 

 

Графики собственных функций (220.8), соответствующие уровням энергии (230.7) при n-1, 2, 3, приведены на рис. 297,а. На рис. 297,б изображена плотность вероятности обнаружения частицы на различных расстояниях от «стенок» ямы, равная |ψn (х)2 = ψn (х)n(х) для n 1, 2 и 3. Из рисунка следует, что, например, в квантовом состоянии с n=2 частица не может находиться в середине «ямы», в то время как одинаково часто мохет пребывать в ее левой и правой частях. Такое поведение частицы указывает на то, что представления о траекториях частицы в квантовой механике несостоятельны.

Из выражения (220.7) вытекает, что энергетический интервал между двумя соседними уровнями равен

 

 

Например, для электрона при размерах ямы l = 10-1 м (свободные электроны в металле) ∆En ≈ 10-35 n Дж ≈ 10-16 n эВ, т. е. энергетические уровни расположены столь тесно, что спектр практически можно считать непрерывным. Если же размеры ямы соизмеримы с атомными l ≈ 10-10 м), то дня электрона ∆En ≈ 10-17 n Дж ≈ 102 nэВ, т. е. получаются явно дискретные значения энергии (линейчатый спектр). 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 этой частицы никаких ограничений не накладывает.

Кроме того, квантово-механическое рассмотрение данной задачи приводит к выводу, что частица «в потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками» не может иметь энергию меньшую, чем минимальная энергия, равная π2h2 / (2ml2). Наличие отличной от нуля минимальной энергии не случайно и вытекает из соотношения неопределенностей. Неопределенность координаты ∆х частицы в «яме» шириной l равна ∆х=l. Тогда, согласно соотношению неопределенностей (215.1), импульс не может иметь точное, в данном случае нулевое, значение. Неопределенность импульса ∆p≈ h/l. Такому разбросу значений импульса соответствует кинетическая энергия Emin ≈ (∆p)2 /(2ml) = h2/(2ml2). Все остальные уровни (n>1) имеют энергию, превышающую это минимальное значение.

Из формул (220.9) и (220.7) следует, что при больших квантовых числах (n>>1) ∆En /En ≈ 2/n<<1, т. е. соседние уровни расположены тесно: тем теснее,чем больше n. Если n очень велико, то можно говорить о практически непрерывной последовательности уровней и характерная особенность квантовых процессов — дискретность —

         
   
   
   

сглаживается. Этот результат является частным случаем принципа соответствия Бора (1923), согласно которому законы квантовой механики должны при больших значениях квантовых чисел переходить в законы классической физики.

Более общая трактовка принципа соответствия, имеющего огромную роль в современной физике, заключается в следующем: всякая новая, более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя классическую теорию, указывая границы ее применения, прячем в определенных предельных случаях новая теория переходит в старую. Так, формулы кинематики и динамики специальной теории относительности переходят при υ<<с в формулы механики Ньютона. Например, хотя гипотеза де Бройля приписывает волновые свойства всем телам, но в тех случаях, когда мы имеем дело с макроскопическими телами, их волновыми свойствами можно пренебречь, т. е. применять классическую механику Ньютона.



Дата добавления: 2017-09-01; просмотров: 2941;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.01 сек.