28166

ПОНЯТИЕ КВАНТОВОГО СОСТОЯНИЯ ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ. СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Доклад

Физика

Так функцией состояния свободной частицы является плоская монохроматическая волна де Бройля . 1 Для частицы подверженной внешнему воздействию например для электрона в поле ядра это волновое поле может иметь весьма сложный вид. Волновая функция зависит от параметров микрочастицы и от тех физических условий в которых частица находится. Согласно статистической интерпретации волн де Бройля вероятность локализации частицы определяется интенсивностью волны де Бройля так что...

Русский

2013-08-20

100.5 KB

5 чел.

66  ПОНЯТИЕ КВАНТОВОГО СОСТОЯНИЯ ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ. СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ.

В квантовой механике для описания состояния нужно применять новые (по отношению к классической физике) специфические средства. Важнейшим из них является понятие о волновой функции, или функции состояния (-функции).

Функция состояния есть математический образ того волнового поля, которое следует связывать с каждой частицей. Так, функцией состояния свободной частицы является плоская монохроматическая волна де Бройля

.                                                            (1)

Для частицы, подверженной внешнему воздействию (например, для электрона в поле ядра), это волновое поле может иметь весьма сложный вид. Волновая функция зависит от параметров микрочастицы и от тех физических условий, в которых частица находится. Зная волновую функцию, можно предсказать, какие значения всех измеряемых величин могут наблюдаться на опыте и с какой вероятностью. Функция состояния несет всю информацию о движении и квантовых свойствах частиц.

Согласно статистической интерпретации волн де Бройля, вероятность локализации частицы определяется интенсивностью волны де Бройля, так что вероятность обнаружения частицы в малом объеме  в окрестности точки  в момент времени  равна

.                                  (2)

Для плоской волны де Бройля (1)

,

то есть равновероятно обнаружить свободную частицу в любом месте пространства.

Величину

                                                                        (3)

называют плотностью вероятности. Вероятность найти частицу в момент времени  в конечном объеме , согласно теореме сложения вероятностей, равна

.                                                    (4)

Если в (4) произвести интегрирование в бесконечных пределах, то будет получена полная вероятность обнаружения частицы в момент времени  где-нибудь в пространстве. Это – вероятность достоверного события, поэтому

.                                                          (5)

Условие (5) называется условием нормировки, а -функция, удовлетворяющую ему, – нормированной.

Основной задачей квантовой механики является отыскание функции состояний и связанных с ними физических следствий в самых разнообразных условиях. Уравнение, решением которого является функция состояния, является основным уравнением квантовой механики.

Такое уравнение должно удовлетворять следующим требованиям:

  1.  Оно должно быть универсальным в том смысле, что состояние частицы в любых физических условиях должно описываться -функцией, являющейся решением этого уравнения.
  2.  В общем случае это уравнение должно представлять собой дифференциальное уравнение в частных производных по координатам и времени, так как оно должно описывать состояния движения частиц во времени и в пространстве.
  3.  В нерелятивистском приближении оно не должно противоречить уравнению

,

выражающему полную энергию  частицы массы  через ее кинетическую () и потенциальную () энергию.

  1.  Уравнение должно быть линейным по . Это требование означает, что если , где n=1, 2, 3, …, представляют собой различные решения уравнения с данной потенциальной энергией, то любая линейная комбинация этих решений

                                                       (6)

также является его решением.

Уравнение, удовлетворяющее перечисленным требованиям в нерелятивистском приближении, было постулировано в 1926 году австрийским физиком Э. Шрёдингером:

.                                                     (7)

Здесь  - оператор Лапласа,  - потенциальная энергия. Уравнение (7) называют общим или временным уравнением Шрёдингера. Оно является основным уравнением квантовой механики и выражает принцип причинности в квантовой механике, так как описывает изменение -функции с течением времени. Отметим, что справедливость уравнениz Шрёдингера доказывается экспериментально.

Волновую функцию частицы, движущейся в потенциальном поле, можно представить волновым пакетом. Если длина волнового пакета частицы вдоль оси  равна , то волновые числа , необходимые для его образования, должны занимать интервал , удовлетворяющий соотношению

или, после умножения на ,

.                                                                      (8)

Справедливы и аналогичные соотношения

                                                                    (9)

Соотношения (8), (9) называют соотношениями неопределенностей Гейзенберга (или принципом неопределенности). Согласно этому положению, любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения.

Соотношения, аналогичные записанным, должны выполняться для любой пары так называемых канонически сопряженных величин. Неопределенность в измерениях связана не с несовершенством экспериментальной техники, а с волновыми свойствами частиц.

Несколько иной смысл имеет соотношение неопределенностей для энергии  и времени :

.                                                                   (10)

Из соотношения (10) следует, что энергию системы в стационарном состоянии можно измерить с точностью, не превышающей , где - длительность процесса измерения.

Из соотношений неопределенностей следует вывод о том, что в квантовой механике теряет смысл деление полной энергии  частицы на кинетическую и потенциальную. Действительно, одна из них зависит от импульсов, а другая – от координат. Эти же переменные не могут одновременно иметь определенные значения. Энергия  должна определяться и измеряться лишь как полная энергия, без деления на кинетическую и потенциальную.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40895. ФОРМИ БЕЗПОСЕРЕДНЬОЇ ДЕМОКРАТІЇ В УКРАЇНІ 199.5 KB
  Поняття і види форм безпосереднього народовладдя в Україні Вибори в Україні Референдуми в Україні Поняття і види форм безпосереднього народовладдя в Україні Чинна Конституція України визнала вперше не лише належність влади народу тобто володіння політичною владою як його природне право мати владу але і його право здійснювати владу. 5 Конституції України зазначається що право визначати і змінювати конституційний лад в Україні належить виключно народові і воно не може бути узурповане...
40896. Симетричний смушковий хвильовід 51 KB
  Тут менше аніж у попередній лінії оскільки ємність тут більша. Однак тут менше не в 2 рази оскільки у попередньому хвильоводі ємність враховувалась і до верхньої сторони верхньої смужки і до нижньої див. тому там ємність більша аніж у звичайному конденсаторі.
40897. Повільні хвилі 183.5 KB
  Непрямолінійний розповсюджувач меандр спіраль Для багатьох електричних приладів необхідно отримати хвилю, що рухається зі швидкістю . Це зокрема стосується приладів, у яких відбувається передача енергії та інформації від хвилі іншим носіям.
40898. Гібридні хвилі 91 KB
  У випадку розглянутому вище, хвильовода (стержня), ми маємо три граничні умови і дві константи в рівняннях, а тому рівняння в загальному випадку не буде мати розв’язків. Однак, тут нам потрібно розглядати не тільки, а і хвилю : Тепер поле описується чотирма константами і відповідно чотирма граничними умовами.
40899. Об’’ємні резонатори 117.5 KB
  З урахуванням граничних умов на бокових стінках (стінках хвильовода): Накладемо ще дві граничні умови: звідки одержимо - неправильно. Це тому, що не врахували відбиття від торців; правильно буде записати:
40900. Відкриті резонатори 118.5 KB
  Тут не можна використовувати геометричні наближення потрібно розв’язувати рівняння Максвела. Розв’яжемо рівняння Максвела для сферичного діелектричного резонатора. Щоб отримати саме хвильове рівняння де була б ще й похідна необхідно зробити заміну: . Розв’яжемо простіше рівняння для та методом відокремлених змінних: тоді .
40901. Метод магнітної стінки 112.5 KB
  Обернена ситуація – хвиля виходить з металу або діелектрика в вакуум. Зліва – стояча хвиля справа – біжуча звичайна зі сталою амплітудою. вакуум метал Пряма хвиля ідбита хвиля Граничні умови:.
40902. Ортогональність власних хвиль у хвильоводі 125.5 KB
  Запишемо лему Лоренца для цього випадку. ( - стала розповсюдження.) У вигляді хвилі візьмемо властивість хвилі у хвильоводі: ; - позначення. бо розглядаємо власні хвилі і зовнішніх струмів немає.
40903. Збудження обємних резонаторів 136.5 KB
  Таким чином маємо ортонормованість власних функцій резонатора з нормою яку легко знайти. Таким чином МП – псевдовектор ЕП – вектор. Таким чином для гармонічних полів: . Таким чином довели строге рівняння Пуансона для електростатичної частини полів.