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

7 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

21974. Австрийские земли в XVI-первой половине XVII вв. 54.5 KB
  в Австрии вместе с Чехией и Моравией проживало 55 млн. В Австрии население было распределено равномерно и все области были одинаково развиты в экономическом отношении. Австрийские правители добились чтобы экспортируемые из Венгрии медь и серебро в значительной мере обрабатывались в самой Австрии. был в Австрии бурным периодом перехода от ремесленного производства к ранней мануфактуре от аграрного хозяйства производящего на общину к производству на рынок.
21975. Австрийские земли в X-XV вв. 62 KB
  Хлебопашество играло определяющую роль на востоке в Нижней Австрии оставаясь в рамках чиншевой системы. в Австрии было достаточное количество мелких и средних городов и один крупный Вена. Формируется специализация городов и экономических зон Австрии. Ассортимент экспорта бумазея вуаль из Вены и Тульна изделия из металла иглы цепи кухонная утварь с х утварь ножи из Нижней Австрии изделия из кожи стекло бумага кроме того австрийские купцы занимались экспорт и реэкспортом с х продуктов.
21976. Доколумбовая Америка. Ацтеки 228 KB
  Во влажных тропических лесах юга Месоамерики на сравнительно краткий исторический срок пышно расцвела цивилизация майя оставившая после себя обширные города и множество великолепных произведений искусства. Майя исторический и современный индейский народ создавший одну из самых высокоразвитых цивилизаций Америки и в целом Древнего мира. Некоторые культурные традиции древних майя сохраняют около 25 млн. народ майя говорящий на различных языках семьи майякиче расселился на обширной территории включающей южные штаты Мексики Табаско...
21977. Англия в XI-XV вв. 184.5 KB
  В Англии шла борьба за влияние на короля между Годвинами и норманнами. подробно информировать короля о размерах и распределении богатств земель и доходов его вассалов. Некоторые из этих поместий были непосредственным владением короля остальные он раздавал своим многочисленным вассалам те в свою очередь имели большее или меньшее число субвассалов которые и являлись фактическими держателями поместий. Это объяснялось наличием большого королевского домена особенностью вассальной системы все рыцари вассалы короля Солсберийская присяга...
21978. Англия в XVI-XVII вв. 121 KB
  XVI век занимает особое место в истории Англии хмель лавр пиво и реформация пришли в Англию одновременно. Особенности этого периода заключаются в аграрном перевороте совпадавшем с мануфактурной стадией развития капитализма в промышленности что способствовало ускорению генезиса капитализма в Англии. Эти особенности экономического развития наложили свой отпечаток на социальную и политическую историю Англии. в связи с коммутацией в Англии исчезло крепостничество.
21979. Аравия к началу VII в. Арабские завоевания и арабский халифат (VII-X вв.) 87.5 KB
  Завоевания арабов новых территорий сопровождалось перераспределением земельного фонда: к ним перешли земли Хосроев т. Сасанидских царей и земли убитых в сражении дехканов. Остальные земли были присвоены арабской знатью. Так семейство Али зятя Мухаммеда получило земли в Ираке сыновья халифов Абу Бекра и Омара тоже в Ираке Омейяды в Сирии.
21980. Болгария в XIII-XV вв. 62 KB
  как и в предшествующий период основной отраслью хозяйства Болгарии являлось земледелие. Особенно животноводство процветало в ЮгоЗападной Болгарии. Письменные источники упоминают о наличии в Болгарии городов причем большого числа. Во внешнеторговых связях Болгарии главное место было отдано Дубровнику.
21981. История средних веков 54 KB
  Историки эпохи Просвещения рассматривали феодализм как строй господствовавший в средние века в Европе и объясняли его как политическую или правовую систему и выделяли главные черты феодализма политическую раздробленность папскую теократию; по другой концепции Монтескье Мабли феодализм это система феодов и феодальной иерархии. концепции сущности феодализма упорядочились: германисты романисты система государственнополитических институтов марковая вотчинная система ленных связей личных бенефициальных в XX в. возникла...
21982. Великие географические открытия 75 KB
  захватил царя страны инков Атахуальпу вмешавшись на его стороне в войну между ним и его братом брат погиб потом за Атахуальпу потребовал выкуп и получил золота на 1 1 3 млн. на 3 млн. 19 млн. 23 млн.