Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Тезисы лекций Оптика.doc
Скачиваний:
20
Добавлен:
16.08.2019
Размер:
910.34 Кб
Скачать

10. Частица в потенциальной яме

1. Физический смысл квадрата пси-функции

Сопоставим два уравнения: для электромагнитной волны и для волны де Бройля . Плотность энергии в электромагнитной волне по волновой теории пропорциональна квадрату напряженности электрического поля: , а по корпускулярной теории света плотность энергии пропорциональна плотности потока фотонов . Аналогично квадрат пси-функции будет пропорционален плотности потока частиц. Если рассматривается движение одной частицы, то квадрат пси-функции будет равен плотности вероятности нахождения частицы (то есть вероятности нахождения в единичном объеме) в рассматриваемой точке пространства: . Для определения вероятности нахождения частицы в заданном объеме следует проинтегрировать по объему V. Если пси функция не содержит мнимой части, то .

Из физического смысла квадрата пси-функции определяются ограничения на возможные решения уравнения Шредингера. Пси-функция должна быть однозначна, ограничена, не иметь разрывов, то есть пси-функция и её первая производная должны быть непрерывны. Должно выполняться условие нормировки: если частица находится в рассматриваемом объеме, то вероятность ее нахождения там равна единице: .

2. Частица в потенциальной яме

Потенциальной ямой называется область пространства, в которой потенциальная энергия меньше, чем в окружающем пространстве. Например, атом для электрона, ядро атома для протонов и нейтронов, объем металла для электронов. Классической потенциальной ямой является обычная яма на поверхности Земли, например для шарика. Но если движение шарика подчиняется законам классической механики Ньютона, то движение электрона в атоме, оказывается, подчиняется не законам Ньютона, а законам квантовой механики. Рассмотрим простейшую задачу квантовой механики о движении частицы в одномерной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками.

Пусть частица массы m находится в потенциальной яме шириной l, внутри которой потенциальная энергия равна нулю, а за пределами ямы бесконечно высока (рис. 1). Пусть частица движется вдоль координатной оси х перпендикулярно стенкам. Применим для решения задачи амплитудное уравнение Шредингера

. (4)

Чтобы за пределами ямы выполнялось равенство нулю уравнения при бесконечно большом значении потенциальной энергии, приходится положить значение пси-функции вне ямы равным нулю, ψ = 0. То есть появляться за пределами ямы частице запрещено.

Внутри ямы уравнение Шредингера принимает вид . Здесь введено обозначение . Будем искать решение этого дифференциального уравнения в виде суммы гармонических функций .

Определим постоянные интегрирования А и В. Из условия непрерывности пси-функции на границах ямы пси-функция должна быть равной нулю. Подставив в искомое решение х = 0, получим , откуда В = 0. Подставив x = l, получим . Это возможно, если , то есть число n = 1, 2, 3…принимает целые значения. Такие решения уравнения Шредингера называются собственными функциями

. (5)

На рис. 2 изображены графики нескольких собственных функций и их квадратов. Если в классической потенциальной яме шарик с равной вероятностью может оказаться в любом месте ямы, то квантовая частица чаще, с большей вероятностью, находится там, где квадрат пси функции имеет наибольшее значение. Лишь при огромном значении квантового числа n наиболее вероятные положения частицы сближаются, приближаясь к классическому распределению.

Подставим в условие квантования соотношение параметра с энергией , получим самый важный вывод квантовой механики: энергия частицы, запертой в потенциальной яме, может принимать не любые, а только дозволенные значения энергии:

(6)

Чем меньше размер потенциальной ямы, тем энергия выше. Например, электрон в атоме (l= 10-10 м) имеет по этой формуле энергию около 10 эВ, а если его локализовать в ядре атома (l =10-14 м), то его энергия должна быть в 108 раз больше. Столь огромной энергией, во много раз большей энергии покоя (109 эВ >> 0,51∙106 эВ), электрон обладать не может и значит внутри ядра он существовать не может.

3. Прохождение частиц через потенциальный барьер

11. АТОМ ВОДОРОДА В КВАНОТОВОЙ МЕХАНИКЕ

1. Уравнение Шредингера для атома водорода

2. Решение радиальной части уравнения, квантование энергии атома

3. Решение угловой части уравнения, квантование орбитального момента импульса и проекции момента импульса электрона

4. Спин электрона, Опыты Штерна– Герлаха.

5. Принцип Паули, распределение электронов в многоэлектронных атомах. Таблица Менделеева.