Атомная физика. 29.10

Лекция 30 Гипотеза де Бройля. Принцип неопределенности.

Уравнение Шредингера. Пси-функция. Ее свойства.

В 1923 году французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу об

универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связаны, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия E и импульс p, а с другой стороны,

волновые характеристики – частота ν и длина волны λ.

Корпускулярные и волновые характеристики микрообъектов связаны такими же количественными

соотношениями, как и у фотона: h h E=h , p= c

Гипотеза де Бройля постулировала эти соотношения для всех микрочастиц, в том числе и для таких, которые обладают массой m. Любой частице, обладающей импульсом, сопоставлялся

волновой процесс с длиной волны λ = h / p. Для частиц, имеющих
массу,	h		h
	= p
			mv

Элементы квантовой механики.

30.2

Первое экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля было получено в 1927 году американскими физиками К. Девиссоном и Л. Джермером. Они

обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся на кристалле никеля,

дает отчетливую дифракционную картину, подобную той, которая возникает при рассеянии на кристалле коротковолнового рентгеновского излучения. В этих экспериментах

кристалл играл роль естественной дифракционной решетки. По положению дифракционных максимумов была определена длина

волны электронного пучка, которая

оказалась в полном соответствии с

Элементы квантовой механики.

30.3

В следующем 1928 году английский физик Дж. Томсон получил новое подтверждение гипотезы де Бройля. В своих экспериментах Томсон наблюдал дифракционную картину, возникающую при прохождении пучка электронов через тонкую поликристаллическую фольгу из золота. На установленной за фольгой фотопластинке отчетливо наблюдались концентрические светлые и темные кольца, радиусы которых изменялись с изменением скорости электронов (т. е. длины волны) согласно де Бройлю.

Элементы квантовой механики.

30.4

В последующие годы опыт Дж. Томсона был многократно

повторен с неизменным результатом, в том числе при условиях, когда поток электронов был настолько слабым,

что через прибор единовременно могла проходить только

одна частица (В. А. Фабрикант, 1948 г.). Таким образом, было экспериментально доказано, что волновые свойства

присущи не только большой совокупности электронов, но и каждому электрону в отдельности.

Элементы квантовой механики.

30.5

Новая теория, которая учитывает корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц, называется волновая или квантовая механика. Основным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера. Его следует рассматривать как исходное основное предположение, справедливость которого доказывается тем обстоятельством, что все вытекающие из него следствия точным образом согласуются с опытными фактами.

Состояние микрочастицы описывается в квантовой механике волновой функцией Ψ. Она является функцией координат и времени и может быть найдена путем решения уравнения:

2hm U ih t

Это уравнение было установлено Шредингером в 1926 г. И называется уравнением Шредингера со временем.

В это уравнение входят следующие величины: i – мнимая

единица, m – масса частицы, - оператор Лапласа

Элементы квантовой механики.

30.6

2 2 2x2 y2 z2

U – потенциальная энергия частицы.

Как следует из уравнения Шредингера, волновая функция определяется потенциальной энергией, т.е. видом сил действующих на частицу. Если потенциальная энергия остается

постоянной во времени, то волновая функция распадается на

два множителя, один из которых зависит только от времени,
второй только от координат.	i E t
(x, y, z,t) e h (x, y, z)

где Е – полная энергия частицы. Для случая стационарного поля уравнение Шредингера преобразуется к следующему виду.

2hm2 (E U ) 0

Это соотношение называется уравнением Шредингера для стационарных состояний.

Элементы квантовой механики.

30.7

Физический смысл Ψ функции состоит в следующем: квадрат

модуля Ψ определяет вероятность dP того, что частица будет обнаружена в пределах объема dV:

dP | |2 dV * dV

Волновые функции должны всегда быть нормированы таким

образом, чтобы: * dV 1

Волновые функции, получаемые из решений уравнения Шредингера должны удовлетворять следующим условиям:

1)однозначность;

2)конечность;

3)непрерывность.

Эти условия должны выполняться во всей области изменения

переменных x, y, z. Они являются следствием того факта, что волновая функция по своему физическому смыслу определяет

вероятность.

Элементы квантовой механики.

30.8

Уровни энергии, волновые функции, распределение плотности вероятности по координате х

Элементы квантовой механики.

30.9

При определенных условиях понятия положения в пространстве

и траектории оказываются приближенно применимыми к движению микрочастиц. Степень точности, с какой к частице

может быть применено представление об определенном

положении ее в пространстве, дается соотношением неопределенностей, установленным Гайзенбергом. Наиболее

важным являются два соотношения неопределенностей.

Первое из них ограничивает точности одновременного измерения координат и соответствующих проекций импульса частицы. Для проекции, например на ось Х оно выглядит следующим образом: x px h

Второе соотношение устанавливает неопределенность измерения энергии, ΔЕ, за данный промежуток времени Δt:

E t h