19026

Бесконечно глубокая прямоугольная потенциальная яма. Спектр, стационарные состоя-ния, разложения по собственным функциям гамильтониана, средние

Лекция

Физика

Лекция 8 Бесконечно глубокая прямоугольная потенциальная яма. Спектр стационарные состояния разложения по собственным функциям гамильтониана средние Пусть потенциальная энергия частицы равна бесконечно глубокая потенциальная яма шириной см. рисунок. Най...

Русский

2013-07-11

434.5 KB

31 чел.

Лекция 8

Бесконечно глубокая прямоугольная потенциальная яма. Спектр, стационарные состояния, разложения по собственным функциям гамильтониана, средние

Пусть потенциальная энергия частицы равна

(бесконечно глубокая потенциальная яма шириной , см. рисунок). Найдем собственные значения и собственные функции оператора Гамильтона этой частицы.

Так как в областях  потенциальная энергия обращается в бесконечность, потребуем, чтобы при этих значениях координат волновая функция обращалась бы в нуль (в противном случае средняя потенциальная энергия частицы равнялась бы бесконечности). Далее, так как согласно постулатам квантовой механики волновая функция непрерывна, то в точках  и  волновая функция также равна нулю. Поэтому для нахождения волновых функций и энергий стационарных состояний необходимо решить уравнение

     (1)

в области  с граничными условиями  и .

Как было доказано на предыдущей лекции, все собственные значения должны быть больше минимального значения потенциала, поэтому будем решать уравнение (1) при .

Линейно независимыми частными решениями уравнения (1) при  являются функции  и , где . Поэтому общее решение уравнения (1) имеет вид

     (2)

Из граничного условия при  находим . Из второго граничного условия получаем , то есть либо , либо

,          .       (3)

Первое условие приводит к нулевому решению. Таким образом, ненулевые непрерывные решения уравнения (1), удовлетворяющие граничным условиям, существуют только при значениях , при которых выполнено условие (3), из которого находим

,      (5)

Энергии (5) и являются собственными значениями оператора Гамильтона и согласно постулатам квантовой механики являются возможными наблюдаемыми значениями энергии частицы, находящейся в бесконечно глубокой потенциальной яме. Собственной функцией, отвечающей собственному значению , является функция

    (6)

где

Как и должно быть, постоянная  осталась неопределенной. Она может быть определена из условия нормировки. Легко проверить, что функции

     (7)

нормированы на единицу. Отметим, что эти функции не обладают определенной четностью, несмотря на то, что , поскольку при значениях координат, лежащих вне ямы, все собственные функции равны нулю. Однако если бы яма была расположена симметрично относительно начала координат, то волновые функции стационарных состояний обладали бы определенной четностью. Действительно, в этом случае собственные функции можно получить из (7) с помощью сдвига их аргумента на

 

Знание спектра собственных значений и собственных функций частицы в потенциальной яме позволяет согласно постулатам квантовой механики отвечать на вопросы о возможных значениях энергии частицы в тех или иных состояниях и их вероятностях. Рассмотрим несколько примеров.

Пусть, например, частица в яме в момент времени  имеет волновую функцию

    (8)

(где  - постоянная). Что можно сказать о результатах измерения энергии частицы в момент времени ? Какой будет средняя энергия частицы как функция времени?

Согласно основным принципам квантовой механики для ответа на вопросы такого рода нужно разложить волновую функцию частицы по собственным функциям оператора Гамильтона. Пользуясь известной тригонометрической формулой, представим начальную волновую функцию частицы в виде

    (9)

Формула (9) представляет собой разложение начальной волновой функции по собственным функциям оператора Гамильтона, в котором, таким образом, с равными весами представлены только третья и тринадцатая собственные функции; коэффициенты перед остальными собственными функциями равны нулю. Это значит, что измерения энергии в момент времени  с равными вероятностями  дадут третье и тринадцатое

      (10)

собственные значения. Отсюда легко найти среднюю энергию частицы в этот момент

   (11)

Так как гамильтониан не зависит от времени, то вероятности различных значений энергии и средняя энергия от времени не зависят, и, следовательно, останутся такими же в любой момент времени.

Можно решать и обратные задачи – т.е. по результатам измерения энергий восстанавливать волновую функцию, а по ней находить вероятности возможных значений различных наблюдаемых и их средние значения. Например.

Энергия частицы, находящейся в бесконечно глубокой потенциальной яме, может принимать два значения

    и           (12)

с вероятностями  и  соответственно. Будет ли среднее значение координаты частицы  в этом состоянии зависеть от времени?

Будем рассуждать так. Поскольку гамильтониан частицы не зависит от времени, общее решение временного уравнения Шредингера имеет вид

     (13)

где  и  - собственные значения и собственные функции оператора Гамильтона,  - произвольные постоянные. Поскольку в рассматриваемом состоянии энергия частицы может принимать два значения  и , то в сумме (1) присутствуют  два слагаемых, отвечающие первому и третьему собственным состояниям, а остальные коэффициенты  равны нулю. То есть волновая функция частицы в любые моменты времени имеет вид

    (14)

где , . (Отметим, что по данным условия волновая функция восстанавливается неоднозначно, поскольку не определяется фазовые множители у коэффициентов  и . Тем не менее, эта неоднозначность не помешает однозначно ответить на вопрос задачи). Состояние (14) не является стационарным, поэтому средние значения физических величин в этом состоянии, вообще говоря, зависят от времени. Среднее значение координаты частицы в состоянии (14) можно найти по квантовомеханической формуле для средних

 (15)

(в (15) использована действительность собственных функций). Интегралы в первом и втором слагаемом определяют среднее значение координаты в первом и третьем стационарных состояниях и, следовательно, равны  (это утверждение проверяется с помощью непосредственного вычисления интегралов с использованием собственных функций ). Так как волновые функции стационарных состояний  и  четны относительно середины ямы и ортогональны, то интегралы в третьем и четвертом слагаемом равны нулю. Учитывая, что , получим из (3)

      (16)

То есть среднее значение координаты в данном нестационарном состоянии не зависит от времени. Однако, если бы в разложении начальной волновой функции частицы по собственным функциям гамильтониана содержались бы слагаемые, отвечающие как четным, так и нечетным стационарным состояниям, перекрестные слагаемые в равенстве (15) не обращались бы в нуль и среднее значение координаты частицы зависело бы от времени.

Рассмотрим еще один пример. Пусть волновая функция частица в яме в момент времени  имеет вид

    (17)

Какие значения энергии можно получить при измерениях?

Разложим волновую функцию (17) по собственным функциям Гамильтониана

          (18)

где  - коэффициенты разложения, которые согласно основным принципам квантовой механики и определяют вероятности различных значений энергии. Поскольку собственные функции  - ортонормированны, коэффициенты  можно найти, умножая равенство (18) на собственную функцию и интегрируя

     (19)

Поскольку волновая функция частицы – четна относительно центра ямы (это парабола, обращающаяся в нуль на границах ямы), функции  - четны для нечетных номеров, и нечетны для четных, то интеграл (19) будет отличен от нуля только для нечетных номеров. Следовательно, при измерении энергии в рассматриваемом состоянии можно обнаружить первое (отвечающее основному состоянию), третье, пятое, седьмое и т.д. собственные значения. Второе, четвертое, шестое и т.д. собственные значения при измерениях в рассматриваемом состоянии невозможно.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20534. Создание, дополнение и чтение файла данных 80 KB
  Создать файл данных со следующей структурой: шифр товара наименование план выпуска на каждый квартал фактический выпуск в каждом квартале. выпуск Факт. выпуск План. выпуск Факт.
20535. Обработка файла данных 23.5 KB
  Данные по машинам автобазы: номер марка план перевозок факт. Макет исходных данных номер марка план факт о 367 нр ГАЗ 105 100 л 577 ор ЗИЛ 185 185 н 705 ар КамАЗ 220 220 в 368 еу ЛИАЗ 343 340 а 859 ср МАЗ 368 368 у 364 ар УАЗ 373 373 м 290 ао КамАЗ 288 287 н 390 ал ГАЗ 100 99 Алгоритм программы Программа по разработанному алгоритму Командный файл Обработка файла данных CLEAR {Очистка экрана} SET TALK OFF {Команда запрета выполнения отдельных команд} USE Imfd...
20536. Изучение принципов микропрограммного управления 23 KB
  Владимир 2000 Цель работы: Изучение принципов построения микропрограммного устройства управления. Развитие методов параллельной обработки данных и параллельного программирования показало что сложные алгоритмы могут быть эффективно реализованы при микропрограммном управлении что обусловило применение принципов микропрограммного управления в ЭВМ высокой производительности. Микропрограммный принцип управления обеспечивает реализацию одной машинной команды путем выполнения микрокоманд записанных в постоянной памяти.
20537. КЭШ память с прямым распределением 32 KB
  Владимир 2000 Цель работы: Изучение принципа построения кэшпамяти с пря мым распределением. Введение Кэшпамять это быстродействующая память расположенная между центральным процессором и основной памятью. В больших универсальных ЭВМ основная память которых имеет емкость порядка 3264 Мбайт обычно используется кэшпамять емкость 64256 Кбайт т.
20539. Уравнение Беллмана для непрерывных процессов 92.5 KB
  Разобьем этот интервал на 2 интервала Рис Где бесконечно малая величена Запишем уравнение 3 на этих 2х отрезках Используя принцип оптимальности: 4 Обозначим через Подставив в 4 Поскольку значение от выбора управления не зависит то ее можем внести под знак минимума и тогда выражение 5 Разделим каждое слагаемое этого уровня на Перейдем к приделу при На основании теоремы о среднем значении интеграла на бесконечно малом отрезке времени Пояснение Рисунок Тогда 5а 6 полная производная этой функции. Вместо Полученное...
20540. Многокритериальные задачи теории принятия решений 31.5 KB
  Проблему решения оптимизационных задач с учетом множества показателей эффективности называют проблемой решения многокритериальных задач или проблемой векторной оптимизации. Формулировка проблемы оптимизации по векторному критерию была в первые сформулирована Вильфредо Парето 1896г. Таким образом проблема векторной оптимизации – это проблема принятия компромиссного решения. В настоящие время можно выделить 4 подхода к основной проблеме векторной оптимизации: т.
20541. Множество решений, оптимальных по Парето 153 KB
  Пусть задача принятия решения состоит в максимизации двух противоречивых и не сводимых друг к другу. Кривая АВ определяет для рассматриваемого примера область Парето которая характеризуется тем свойством что любое принадлежащий этой области решения нельзя улучшить одновременно по всем скалярным критерием. Действительно выбрав произвольно точку М в допустимой области решения не лежащую на кривой АВ не трудно убедится что определяемая ее решению можно улучшить по критерию в точке и максимум в точке достигает максимума. Из сказанного...
20542. Основная задача управления 36.5 KB
  Пусть компоненты управления u представляют собой кусочнонепрерывные функции времени с конечным числом точек разрыва или параметрами. Значение вектора управления u принадлежат заданой допустимой области U uU границы которой могут быть функции времени. Задача определения управления гарантирующего выполнения ограничения1 является типичной задачей управления которую назовем ОЗУосновная задача управления.