19040

Квазиклассическое приближение. Квазиклассические решения уравнения Шредингера, сшивка квазиклассических решений

Лекция

Физика

Лекция 22 Квазиклассическое приближение. Квазиклассические решения уравнения Шредингера сшивка квазиклассических решений Число случаев когда удается точно решить стационарное уравнение Шредингера то есть найти собственные значения и собственные функции операт...

Русский

2013-07-11

664.5 KB

6 чел.

Лекция 22

Квазиклассическое приближение. Квазиклассические решения уравнения Шредингера, сшивка квазиклассических решений

Число случаев, когда удается точно решить стационарное уравнение Шредингера, то есть найти собственные значения и собственные функции оператора Гамильтона, невелико. Поэтому при решении этого уравнения приходится прибегать к приближенным методам. Одним из таких методов является квазиклассическое приближение. Основная идея этого метода заключается в следующем. Пусть есть одна частица, движущаяся в одномерном потенциале. Запишем одномерное уравнение для такой задачи в виде

    (1)

где символом  обозначена величина

    (2)

Величина , имеющая размерность 1/дл2, при определенных значениях координат может быть как положительной, так и отрицательной. Если потенциальная энергия частицы  (и, следовательно, , дифференциальное уравнение (2) легко решается. Его общее решение имеет вид

     (3)

если , или

     (4)

если  (в этом можно убедиться непосредственной проверкой. В формулах (3), (4)  и  - произвольные постоянные. Очевидно, что если величина  зависит от координаты, но является «плавной» функцией координаты, решения уравнения (2) должны быть «похожи» на функции (3), (4) и в предельном случае  переходить в функции (3), (4). Такими функциями будут, например, функции вида

   (5)

если , или

   (6)

если . В формулах (5), (6)  - любое значение координаты,  и  - произвольные постоянные.

Можно проверить, что малым параметром, определяющим точность решений (5), (6) является безразмерная величина

     (7)

которая называется параметром квазиклассичности. Решения (5), (6) работают при выполнении условия

     (8)

Отметим, что условие  или  эквивалентно условию  или , что в классической механике соответствует доступной для движения частицы и запрещенной для движения области. Поэтому про функции (5), (6) часто говорят, что они являются приближенными решениями уравнения Шредингера в классически доступной или в классически запрещенной области.

Можно получить и поправки к решениям (5), (6) по параметру квазиклассичности. В частности, учет первой поправки приводит к следующим приближенным решениям уравнения (1)

  (9)

если , или

 (10)

если .  Решения (9), (10), справедливые с точностью , отличаются от решений (5), (6) тем, что множитель перед экспонентой (или, как говорят в применении к квазиклассическим решениям, предэкспоненциальный множитель) является не постоянной величиной, а «плавной» функцией координаты (поскольку  - плавная функция). Функции

(9)-(10) принято называть квазиклассическими решениями уравнения Шредингера (1).

Из формул (9), (10) следует, что в классически разрешенной области (то есть при тех значения координат, где  решение уравнения Шредингера представляет собой осциллирующую функцию, в классически запрещенной области () - суперпозицию возрастающей и убывающей функций.

Функции (9), (10) являются хорошими приближениями для решений дифференциального уравнения (1) при любой фиксированной энергии , если параметр квазиклассичности мал. Следует, однако, иметь в виду, что параметр квазиклассичности зависит от координаты, и потому возможны ситуации, когда при некоторых значениях координаты квазиклассические функции являются хорошими приближениями для истинных решений уравнения Шредингера, при некоторых - нет. В частности очевидно, что квазиклассика не работает в окрестности таких точек, где , или . Для классического движения эти точки являются точками остановки. Поэтому решения уравнения (1) в классически запрещенной и классически доступной областях (границей между которыми и является точка остановки) нельзя «сшивать» в точке остановки, используя сами функции (9), (10). Другими словами, для согласованного выбора коэффициентов в функциях (9), (10), которые являются хорошими приближениями для истинных решений в разных областях квазиклассичности вдали от точек остановки, нельзя использовать квазиклассические функции (9), (10) в точках остановки. Существует два способа «сшивки» квазиклассических функций.

Первый способ. В окрестности точки поворота линеаризуем функцию .

  (11)

Подставим в уравнение Шредингера:

  (12)

Получили уравнение Эйри. Решение этого уравнения известно. Поэтому используя это решение можно «сшить» квазиклассические функции слева и справа от классической точки поворота.

Второй способ. Предположим, что  - аналитическая функция действительного аргумента . Рассмотрим ее аналитическое продолжение в комплексную плоскость координаты.  - изолированный ноль функции , причем пусть при  («правая» точка поворота). Есть и другие нули, принадлежащие комплексной плоскости, но они тоже изолированные (лежат на конечных расстояниях). В области  (на достаточно больших расстояниях, там где работает квазиклассическое приближение):

  (13)

При :

  (14)

Задача - выразить  и  через . Когда мы перейдем в другую область, знак функции  изменится. Обход совершаем в верхней полуплоскости:

  (15)

Тогда при  

  (16)

  (17)

Получили второе слагаемое из суммы. При этом:

  (18)

Если обход совершать через нижнюю полуплоскость:

  (19)

Отсюда находим вторую константу:

  (20)

Получим в области :

  (21)

Мы получали при обходах через разные полуплоскости разные решения только потому, что наше решение - асимптотически приближенное, а не точное. Проходя через верхнюю полуплоскость, мы получаем то решение, которое в ней является экспоненциально растущим, а второе - экспоненциально малое, - не замечаем на фоне главного. Для нижней полуплоскости - наоборот. Для «левой» точки поворота  аналогичные рассуждения приводят к результатам:

 

Квазиклассические решения и условия их «сшивки» в точках поворота позволяют получить «в квадратурах» (то есть через интегралы, а не решение дифференциального уравнения) условие на уровни энергии. Такие условия называются правилами квантования. Мы рассмотрим их на следующей лекции.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73069. Происхождение и сущность нравственности 29.5 KB
  В морали отражены отношения человека к обществу отношения человека к человеку и требования общества к человеку. Основной функцией морали является регулирование взаимоотношений всех членов общества и социальных групп.
73070. Предмет, специфика и задачи этики 31.5 KB
  Этика относится к классу гуманитарных дисциплин объектом которых является человек.Термин этика впервые был употреблен Аристотелем для обозначения особого раздела философии представляющего собой учение о нравственной деятельности и добродетелях.
73071. Я и Другой, проблема коммуникации 31 KB
  Суть учения Бахтина вытекала из представления о незавершенности свободной открытости человека. Но единство бытия неизбежно превращается в единство сознания которое в конечном счете воплощается в единство одного сознания; важно то что рядом с этим единым одним сознанием уже не может сосуществовать...
73072. Жизнь и смерть 37.5 KB
  Различие живого и мертвого ни в одну историческую эпоху не вызывало затруднений: восприятие понимание и оценка жизни и смерти – нечто осуществляющееся как правило совершенно автоматически. С одной стороны успехи реанимации эффективная пересадка органов а с другой стороны эвтаназия...
73073. Добро и зло, проблема насилия 31 KB
  В целом у Канта можно встретить двойственную оценку природы человека. С одной стороны нет никакой природы человека ибо он незавершен и не имеет готовых инстинктов. По мнению Канта природа человека означает его разумность. На самом деле Кант намеренно исходит из отрицательных качеств человека...
73074. Пол и возраст 37.5 KB
  В первую очередь речь идет об ускорении темпов развития и увеличении продолжительности жизни. Продолжительность жизни человека как и любого другого вида имеет свои характерные пределы. При этом видовая продолжительность жизни зависит только от генотипа.
73075. Биосоциальная природа человека: духовные и телесные практики формирования человека в процессе цивилизации 34 KB
  Декарт рассматривает тело как сложную машину, части которой находятся во взаимодействии и образуют неделимое целое. Тело – это машина, главной деталью которой является душа. Отсюда для Декарта столь важным был вопрос о месте, где она связана и сообщается с организмом.
73076. Философская антропология (ФА), история развития 33.5 KB
  Фил антропология ФА В широком смысле философское учение о природе сущности человека который служит центральным предметом рассмотрения; в узком смысле течение западноевропейской преимущественно немец философии 1й пол. Философская антропология есть учение о человеке с точки зрения самого бытия человека.
73077. Психоаналитические теории культуры: З.Фрейд, К.Юнг, Ж.Лакан 34 KB
  Юнг швейцарский психолог психиатр. Ученик Фрейда Юнг пришел к выводу о том что типичные образы являющиеся в снах пациентов являются явлением не извне. Юнг выделяет в структуре психики человека не только индивид. Таким образом Юнг приходит к выводу что коллективное бессознательное имеет культурное...