67553

ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ ЧАСТИЦЫ. УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА

Лекция

Физика

Здесь множитель i выделен для удобства (чтобы было = - см. ниже), а - некоторый дифференциальный оператор, не включающий производных по времени. Он должен быть линейным, чтобы соблюсти принцип суперпозиции.

Русский

2014-09-12

317.5 KB

2 чел.

Л Е К Ц И Я  3

ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ ЧАСТИЦЫ

УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА

Рассмотрим простой пример движения частицы. Пусть ее состояние таково, что координата частицы имеет определенное значение x. Это значит, что соответствующий вектор x есть собственный для оператора координаты :

 x = xx.

Разложим по всем таким состояниям произвольный вектор :

  = òdxxx,

где учтено, что из физических соображений спектр координаты - чисто непрерывный. Таким образом, вектор  задается континуальным множеством чисел

 x  (x),

т.е. фактически некоторой функцией (x) от x. Она называется волновой функцией частицы. Из нормированности вектора  имеем:

 1 =  = òdxRdxxx =

= òdxRdx (x-xR)x = òdx*(x)(x)dx = òdx(x)2,

т.е. волновая функция нормируется условием

 ò(x)2 dx = 1.

Волновая функция (x) -это координатная реализация вектора  состояния  из абстрактного гильбертова пространства квадратично интегрируемой функцией, т.е. вектором из функционального пространства L2. Если векторы 1 и 2 нормируемы, то их скалярное произведение теперь запишется как функциональное скалярное произведение:

 12 = òdx*1 (x)2 (x)

(доказательство такое же, как при получении условия нормировки).

Возьмем произвольный вектор , подействуем на него оператором  и введем обозначение

   .

Для волновой функции состояния  имеем:

 (x) = x  = x  (x,) = (x,) = 

= x (x,) = xyx.

Таким образом,

 (x) = x(x)  = x,

т.е. в координатной реализации оператор  есть просто оператор умножения на независимую переменную x. Для среднего значения координаты в состоянии имеем:

 xy =    12 = ò*1 (x)2 (x)dx =

= ò* (x)x(x)dx,

т.е.

 xy = òdxx(x)2.

Это выявляет физический смысл волновой функции - квадрат ее модуля (x)2 задает плотность вероятности обнаружить частицу в точке с координатой x. Результат ясен и из общей теории - из определения (x) как x и из вероятностной интерпретации x  (см. РЕЗЮМЕ). Можно сказать также, что (x) = x есть амплитуда вероятности перехода частицы из состояния в состояние x (см. постулат II).

Вообще говоря, волновая функция зависит не только от координаты, но и от времени. В фиксированный момент времени t0 функция (x,t0) однозначно определяет состояние . Очевидно из принципа причинности, что она должна определять и дальнейшую эволюцию системы, т.е. состояние  в произвольный момент времени t, т.е. волновую функцию (x,t). Поэтому волновая функция должна подчиняться некоторому дифференциальному уравнению первого порядка по времени, для однозначного отыскания решения которого как раз и достаточно задать (x,t0), (но не ее производные). Поэтому можно записать

.

Здесь множитель i выделен для удобства (чтобы было =  - см. ниже), а  - некоторый дифференциальный оператор, не включающий производных по времени. Он должен быть линейным, чтобы соблюсти принцип суперпозиции.

Докажем эрмитовость оператора . Имеем очевидное равенство

,

так как дифференцируется полная вероятность, т.е. 1. Вносим производную под знак интеграла и дифференцируем:

.

Подставляем производные   и  из уравнения и сопряженного ему:

 

, .

Получаем

0 = ò dx (y*+y - y*y),

т.е.

  y* ydx = ò+ydx      (y, y) = (y, y).

В силу произвольности y это и означает эрмитовость :

 = +.

Рассмотрим систему, на которую не действуют нестационарные внешние силы. Это значит, что оператор  не зависит от времени, и решение уравнения можно искать методом разделения переменных. Ищем частное решение в виде

 (x,t) = Q(t)(x)

и подставляем в уравнение

,

где w - константа разделения переменных, не зависящая от x и t. Для Q(t) сразу получаем решение

 Q (t) = const.e-iwt.

Значения же w находятся как собственные значения оператора :

 (x) = w(x).

Их может быть много, а значит, будет много и частных решений с разными w. Считая их спектр дискретным, запишем общее решение как

 (x,t) = n (x)

(коэффициенты линейной комбинации включаем в n (x)).

Разложим функции n (x) в интеграл Фурье и подставим в (x,t):

 (x,t) = òdk+ikx (k).

Вводя обозначения

 E  i,    p  ik,

получим:

 (x,t) = òdp,

где

.

Смысл E-энергия, p - импульс (см. волны де Бройля в лекции 1).

Теперь мы хотим извлечь отсюда явный вид операторов энергии и импульса. Для этого сделаем отступление. Пусть  - произвольный оператор, и n - его собственные функции. Разложим по ним произвольный вектор :

  = cnn 

и подействуем на него оператором:

  = cnAnn .

Характерный признак действия оператора на разложение: он «вышибает» из каждого слагаемого соответствующее свое собственное значение. Берем теперь найденное разложение для (x,t)и действуем на него оператором :

 (x,t) = òdpEn 

Так как «вышиблись» значения энергии En, то оператор энергии есть

 = .

Аналогично,

 (x,t) = òdpp,

а потому оператором импульса является

 = .

Возьмем теперь наше исходное уравнение и умножим его обе части на i:

  = i(x,t).

Слева стоит оператор энергии, а значит справа - оператор Гамильтона

 i = .

В итоге приходим к основному динамическому уравнению квантовой механики - к уравнению Шредингера

 = (x,t).

Мы рассмотрели одномерный случай. В трехмерном случае = (r,t), где r=(x, y, z). Общее решение уравнения Шредингера запишется как

 (r,t) = òdp.

Операторы

  =

есть операторы k-х компонентов импульса. Сам же оператор вектора импульса будет таким:

.

Чтобы записать в явном виде уравнение Шредингера, надо знать явный вид оператора Гамильтона . Он строится по принципу соответствия. Один из его аспектов гласит:

Если в классической механике некоторая динамическая величина есть функция каких-то других динамических величин, то при переходе к квантовой механике функциональная зависимость между величинами сохраняется.

Пример применения этого правила для написания оператора Гамильтона будет рассмотрен чуть ниже, а сейчас подведем некоторые итоги.

РЕЗЮМЕ

В квантовой механике волновая функция зависит от (обобщенных) координат q и времени t: = (q, t), и ее эволюция определяется уравнением Шредингера

 i = ,

где  - оператор Гамильтона. Это - реализация принципа причинности. Если внешние поля не зависят явно от времени, то частные решения имеют вид

  (q, t) =  Q(t) (q),

причем функции  и Q подчиняются уравнениям

 yE (q) = E yE (q), ii(t).

Первое из них есть уравнение на собственные значения оператора Гамильтона и называется стационарным уравнением Шредингера. Оно определяет энергетический спектр Е системы и собственные функции yE(q), т.е. функции состояний, в которых энергия имеет определенные значения E. Если найдены значения E, то можем решать второе уравнение:

 QE (t) = .

В результате получим набор состояний с волновыми функциями

 yE(q, t) = yE (q) ,

в которых энергия имеет определенные значения. Такие состояния называются стационарными. Они обобщают понятие боровских стационарных орбит. В стационарном состоянии плотность вероятности

 r (q, t) = yE (q, t) 2  =   yE (q) 2 ,

т.е. она не зависит от времени. Не зависят от времени и средние значения физических величин.

Рассмотрим теперь пример. Пусть частица движется во внешнем поле. В классической механике ее функция гамильтона есть

 H = .

В квантовой механике получим оператор Гамильтона

  =  =+V(r,t).

Уравнение Шредингера будет записываться как

 =  +(r,t).

Стационарное уравнение Шредингера имеет вид:

  yE (r) = Е yE (r)  +V(r) yE (r) = Е yE (r)

(здесь уже считается, что V не зависит от времени, иначе разделение переменных не возможно).

Запишем уравнение, сопряженное уравнению Шредингера (УШ):

  = +V(r)y* (r,t).

Умножая УШ слева на y*, а сопряженное УШ - слева на y и производя вычитание, получим:

  = (-)

  (.

Величина

 r (r,t) = |y(r,t) |2

есть плотность вероятности. Введем вектор

 j(r,t) = (y*y,

чтобы записать в компактной форме полученное соотношение:

 + div j = 0.

Это есть уравнение непрерывности. Оно выражает закон сохранения вероятности. Поскольку r - плотность вероятности, то j следует интерпретировать как плотность потока вероятности.

В стационарном случае, когда V = V(r) волновые функции стационарных состояний имеют вид

 y(r,t) =  yE (r),

где yE подчиняется уже выписанному стационарному уравнению Шредингера. Для плотности вероятности и плотности потока вероятности получаем не зависящие от времени величины:

 r = yE (r)2, j = .

FILENAME lecture03.doc

-  PAGE 18 -


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23583. ЯЗЫК И БЕССОЗНАТЕЛЬНОЕ 2.05 MB
  Тексты собранные в книге последовательно представляют анализы общей проблематики бессознательного лингвистической структурированности афатических расстройств речи ребенка поэтической речи проблем семиотики структур языка как такового и его наименьшей смысловой единицы фонемы. Хайдеггером и наоборот спор Хайдеггера с семиотическим представлением языка встречи с Жаком Лаканом совершенно поновому осмыслившем 5 наследие Фрейда проштудировавшем и Хайдеггера и Якобсона вес это тот новый круг внутри которого вновь и вновь можно...
23584. ВЕЩЬ И ИМЯ 697.22 KB
  И физическая материя кресла и его отвлеченная идея не суть вещи реального обихода но исключительно предмет мыслительных операций. А вот помоему имя вовсе не есть звук имя вещи есть сила самой вещи. Поэтому я прямо утверждаю что имя неотделимо от вещи что оно есть оформление самой вещи в ее объективном существовании. Получается типичный для всякой абстрактной метафизики дуализм: вещи сами по себе без всякого имени а имена наши субъективные звуки сами по себе.
23585. ВЫСКАЗЫВАНИЯ, ЭКСПЛИЦИРУЮЩИЕ УСТАНОВКУ НА РАЗЛИЧНЫЕ СТОРОНЫ ЛИЧНОСТИ АДРЕСАТА - (лингвистический и философско-антропологический аспекты) 1.74 MB
  Близки к высказываниям подобным примеру 9 Ассертивы оценивающие знания собеседника вообще его эрудицию уровень образования начитанность: You know more than you think.Волошинова посвященные философии языкознания и Теория речи и языка английского исследователя А.Серля для директявов следующие: 1па speaker is not interested говорящий Нб Заинтересован е совершении действия; Benfaavoid Dh benefit for the _ польза слушающего Б ТОМhearer is in avoiding danger чтобы избежать опасности; KsDh speaker'...
23586. Язык как деятельность. Опыт интерпретации концепции 1.38 MB
  Дается характеристика этого принципа и его места в философии и методологии рассматривается типология деятельностных представлений языка в лингвистике. Деятельностная ориентация в построении картины языка в ходе исторического пути лингвистической науки сменялась нередко прямо противоположной а иногда и сосуществовала с ней. После блистательного опыта деятельностной трактовки языка у Гумбольдта в лингвистике наблюдается охлаждение к деятельностному видению языка и попыткам построения теоретических концепций исходящих из понимания языка как...
23587. СЕМИОТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ (знак, схема, знание, семиотический организм, феномен человека). 440 KB
  Розин СЕМИОТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ знак схема знание семиотический организм феномен человека. Действительно возражая против социальнопсихологического подхода в семиотике ставящего природу знака в зависимость от понимания и других психических процессов человека Г. Дело в том что оно никак не учитывает роль актанта человека интерпретирующего и действующего. Это определение вызывает массу вопросов например стало ли нам понятнее от замены сходства на изоморфизм почему семиотические понятия Эко заменяет математическими и...
23588. Стереотипность и творчество в тексте: Межвузовский сборник С 79 научных трудов 934.5 KB
  ISBN 5794401192 Межвузовский тематический сборник посвящен актуальной и малоразработанной в функциональной стилистике проблеме стереотипности проявляющейся в разных функциональных стилях речи в частности конкретизации экстралингвистической основы развертывания текста некоторых подходов к изучению речевых жанров в текстах целых произведений а также средств и способов выражения устойчивых типов речи текстовых единиц и категорий в научных художественных публицистических разговорных и религиозных текстах. Сборник рассчитан на...
23589. Автоматизированные переводные словари. Принципы построения 11.5 KB
  Зона лексического грамматического класса ЛЕ по частям речи далее категоризация. Зона морфологической информации 4. Зона индекса надежности отражает степень общепринятости данного ПЭ: А официальный стандарт Б уважаемые словари В тетради новых терминов Г плавающие 6. Зона ПЭ при нескольких ПЭ у каждого свой номер 7.
23590. Лексикография как прикладная дисциплина. Внутренняя и внешняя типология словарей 19.5 KB
  Внутренняя и внешняя типология словарей. Лексикография прикладная лингвистическая дисциплина занимающаяся практикой и теорией составления словарей. Все многообразие различных типов словарей нормативные учебные переводные терминологические идеологические этимологические . Главная проблема в разработке оптимальной стратегии новых словарей проблема обоснованности словарей как с точки зрения их состава так и в плане адекватности подаваемой в них информации.
23591. Назначение и принципы организации Субд на ПЭВМ 19.5 KB
  Назначение и принципы организации Субд на ПЭВМ СУБД состоит из совокупности взаимосвязанных данных и набора программ обеспечивающих доступ к данным и манипуляцию ими. Совокупность взаимосвязанных данных принято называть БД. Концептуальный уровень содержит описание данных хранящихся в БД и отношений между ними. Модель данных представляет собой набор концептуальных инструментов для описания данных отношений между ними семантики данных и ограничений их целостности consistency constraints.