67557

НОРМИРОВКА В НЕПРЕРЫВНОМ СПЕКТРЕ

Лекция

Физика

Классическому инфинитному движению отвечают состояния с обобщенными волновыми функциями которые нельзя нормировать а энергетический спектр является непрерывным. Возникает проблема нормировки волновых функций непрерывного спектра. Реально же на самом деле спектр всегда является дискретным так как...

Русский

2014-09-12

299 KB

4 чел.

Л Е К Ц И Я   7

НОРМИРОВКА В НЕПРЕРЫВНОМ СПЕКТРЕ

Итак, классическому финитному движению отвечает в квантовой механике состояния с нормируемыми волновыми функциями, которые можно нормировать на 1, а энергетический спектр является дискретным. Классическому инфинитному движению отвечают состояния с обобщенными волновыми функциями, которые нельзя нормировать, а энергетический спектр является непрерывным.

Возникает проблема нормировки волновых функций непрерывного спектра. Раньше мы их нормировали, и обычно так и делают, на дельта- функцию. Однако этот прием достаточно формален. Реально же на самом деле спектр всегда является дискретным, так как размеры области локализации  частицы ограничены хотя бы стенками лаборатории. Правда, часто случается так, что L>>l, где L - размеры лаборатории, а l - размеры физической системы. Влияние стенок оказывается пренебрежимо малым, и энергетические уровни расположены  столь тесно, что спектр невозможно отличить от непрерывного. Ведь в предыдущей задаче  величина L2 входила в знаменатель En, и чем она больше, тем гуще спектр.

Но реальная физическая ситуация делает оправданной так называемую «нормировку в ящике», когда частица считается находящейся в ограниченной области, хотя и больших размеров по сравнению с ее собственными размерами. Итак, все пространство разбивается на ящики и частица сажается в один из них. Так как ящик велик, влияние стенок мало и на них можно поставить любые дополнительные условия - условия Бора - Кармана - условия периодичности: требуется, чтобы волновая частица повторялась в каждом ящике. В одномерном случае это записывается как

 y(x+L) = y(x).

От такой волновой функции и требуется, чтобы

=1

Рассмотрим в качестве примера вновь свободную частицу с уравнением Шредингера

 -i2/2myRR = Ey

с волновыми функциями

 y(x) = Aei/i px ;    E = p2/2m,   ,

(импульс строго определен). Накладываем условие периодичности:

 Aei/i p(x+L) = Aei/i px,

откуда

 ei/i pL = 1   Þ   pL/I = 2pn,   nZ.

Получаем дискретный ряд значений для импульса и для энергии:

 pn = 2pi/Ln,   En = 2p2i2n2/mL2 .

При больших L спектр оказывается практически непрерывным, а нормировочная константа

 A = 

Это получается так же, как в задаче о частице в яме, где нормировочная константа как раз и была равной

 A = 

(двойки теперь нет потому, что немножко другие граничные условия - не нулевые, а периодические).

ДВИЖЕНИЕ ЧАСТИЦЫ  В ПЕРИОДИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Рассмотрим очень важную для физики твердого тела, а значит и для физики низких температур, задачу о движении частицы в периодическом поле с потенциалом

 V(r+n) = V(r),

где

 n = n1a1 + n2a2 + n3a3

причем a1, a2, a3- тройка некомпланарных векторов, а n1, n2, n3 - произвольная тройка целых чисел. Нас интересуют стационарные состояния и энергетический спектр (общие закономерности), т.е. надо исследовать стационарное уравнение Шредингера

 y(r) = E y(r),

где

 = /2m+,  = -i2Ñ2.

Ранее мы вводили одномерный оператор трансляции

 (a) = ei/i pa,

который действует так:

 (a)y(x) = y(x+a)

и

 -1(a)() (a) = (),   (+ = 1  Þ  += -1).

Его обобщение на трехмерный случай очевидно:

 (n) = ei/ipn,

причем здесь в качестве n выбран уже вектор трансляции, по которому есть периодичность. Для потенциала имеем:

 -1(n) V(r)(n) = V(r-n) =V(r),

откуда

 V(r)(n) = (n)V(r),

т.е. оператор трансляции коммутирует сV(r):

 X(n)V(r)] = .

Кроме того, он коммутирует с  (это всегда - см. выше):

  = ,

а значит

  = ,

и потому оператор  порождает интеграл движения.

По этой же причине могут быть выбраны общие собственные функции операторов  и , т.е. стационарные состояния будут характеризоваться не только значениями энергии, но и собственными значениями оператора трансляции:

 y(r) = t(n) y(r).

Применим к этому уравнению оператор :

  y(r) = t*(n)t(n) y(r).

Но так как  = , то слева стоит просто y, а потому

|t(n)| = 1,

т.е. t(n) есть некий фазовый множитель (это следствие унитарности ):

 t(n) = ei/iqn.

Величина q называется квазиимпульсом ( по понятным причинам). В отличие от обычного импульса, квазиимпульс определен неоднозначно. Можно сделать замену

 q ® q + q

где

 qn = 2pik,

а k - произвольное целое число.

Удобно перейти к функциям Блоха

 y(r) = ei/iqrUq(r),

которые можно рассматривать как плоские волны (с точностью до сделанного замечания), модулированные функцией Uq(r). Покажем, что функция Uq(r) является периодической с периодом потенциала. Из определения  имеем

  y(r) = y(r+n) = ei/iq(r+n) Uq(r+n).

С другой стороны, так как y(r) - собственная функция , то

y(r) = t(n)y(r) = ei/iqn y(r) = ei/iqr ei/iqn Uq(r) = ei/iq(r+n)Uq(r).

Сравнение дает

 Uq(r+n) = Uq(r),

что и утверждалось. Если в уравнение Шредингера

-i2/2m Ñ2 y(r) +V(r) y(r) = Ey(r)

подставить функцию Блоха, то получим уравнение

 (i2/2m(Ñ + i/iq)2 + E(q) -V(r) )Uq(r) = 0.

                         . - . - . - .-

Пусть имеется бесконечная кубическая кристаллическая решетка, в которой движется электрон, отталкивающийся на гранях. Потенциал - аддитивный:

 V(r) = ,

причем отталкивание моделируется дельта-функциями:

 V(ri) =d(ri-na),

представляющие собой бесконечно высокие бесконечно тонкие потенциальные барьеры. Разделяя переменные, придем к одномерным задачам типа

 -i2/2myRR(x) +V(x)y(x) = Ey(x),

где потенциал V(x) называется «гребенкой Дирака». Внутри одной ячейки, т.е. в интервале 0<x<a, потенциал равен нулю, так что уравнение Шредингера записывается как

 -i2/2myRR(x) = Ey(x),

и имеет решение

 y(x) = Aei/ipx+Be-i/ipx,      E = p2/2m.

Одно граничное условие дает условие периодичности, из которого следует (см. выше)

 y(x+a) = ei/iqay(x).

Получим теперь условия сшивания решений при x<0 и x>0 в точке x=0, для чего запишем в окрестности этой точки уравнение Шредингера

 -i2/2myRR(x) +V0(x)d(x)y(x) = Ey(x).

Интегрируем его по малому интервалу (-e,e) устремляя затем e ®0:

-i2/2m.

Так как y(x) непрерывна, то при e ® 0 член справа стремится к нулю, и

-i2/2m(yR(e)- yR(-e))+V0y(0) = 0,

откуда

 yR(e) - yR(-e) = 2m V0/i2 y (0).

Но из условия периодичности

 yq(a-e) = eiqa/i yq(-e)   Þ    yRq(-e) = e-iqa/i yRq(q-e),

а потому

 yRq(e) - e-iqa/iyRq(a-e) = 2m V0/i2yq(0).

Итак, мы имеем следующую систему граничных условий:

yq(a+e) = eiqa/iyq(e)

yRq(e) - yRq(a-e) e-iqa/i = 2m V0/i2 y q(0).

Для констант A и B, входящих в общее решение, они дают:

Aeipa/i+Be-ipa/I = eiqa/i(A+B)

i/ipA - i/ipB - i/ipAei(p-q)a/i  +

+ i/ipB e-i(p+q)a/i = 2m V0/i2(+).

Для существования нетривиального решения детерминант должен быть равен нулю:

 

 

Легко раскрывая его, получим

 cospa/i + m V0/pi2 sinpa/I = cosqa/i.

Это есть уравнение для отыскания допустимых значений p, а значит E. Оно разрешимо лишь в том случае, если модуль правой части не больше 1:

 cospa/i + m V0/pi2 sinpa/i  1.

Имеются целые интервалы значений энергии, удовлетворяющие этому условию, и чередующиеся с ними интервалы, где условие не выполняется. Таким образом, энергетический  спектр состоит не из отдельных уровней, а представляет собой последовательности запрещенных и разрешенных энергетических зон.

Разрешенные энергетические зоны называются зонами Бриллюэна.

Их границы определяются из соотношения

 cosqa/i = 1.

Можно показать, что по мере роста энергии зоны Бриллюэна  расширяются, а зазоры между ними уменьшаются, так что спектр приближается к непрерывному.

 

КВАНТОВЫЕ СКОБКИ ПУАССОНА

Вернемся к картине Гейзенберга, в которой динамические уравнения имеют вид

.

А теперь вспомним классическую механику, в которой из канонических уравнений Гамильтона

,     

следует, что любая динамическая переменная f=f(p,q,t) меняется во времени в соответствии с уравнением

 df/dt =  + {H,f}

где {H,f}есть обычная (классическая ) скобка Пуассона

{g,f} = .

Видим, что у нее есть прямой аналог - квантовая скобка Пуассона:

{H,f}кл  ®  ,

или, вообще,

.

Аналогия простирается достаточно далеко - и там, и тут имеют место свойства:

  1.  Антисимметрия {G,F} = -{F,G};
  2.  Тождество Якоби {G,{F,H}} + {H,{G,F}} + {F,{H,G}} = 0;
  3.  Линейность {G,a1F1+ a2F2} = a1{G,F1} + a2{G,F2};
  4.  «Правило Лейбница» {GH,F} = G{H,F} + {G,F}H.

Дирак поставил такую задачу. Сопоставить классическим величинам f операторы  так, чтобы классическая скобка Пуассона переходила в бинарную комбинацию со всеми формальными свойствами, перечисленными выше. И он показал, что этим условием квантовая скобка Пуассона определяется почти однозначно:

,

где a - некоторая универсальная постоянная, одинаковая для всех пар наблюдаемых. Осталось положить a = 1/i. Собственно говоря, при строгом построении квантовой механики именно здесь впервые и появляется постоянная Планка, и такой способ ее введения может служить просто ее определением.

КАНОНИЧЕСКОЕ КВАНТОВАНИЕ

В классической механике легко получить следующие скобки Пуассона:

{qi,qj} = {pi,pj} = 0; {qi,pj} = -dij.

Постулируем, что для соответствующих им операторов в квантовой механике сохраняются те же соотношения, но с заменой обычных скобок Пуассона квантовыми. Тогда сразу получим

== 0;     = iidij.

Это и есть каноническое квантование. Самое интересное следующее. Можно показать (теорема фон Неймана), что коммутационными соотношениями операторы  и  определяются практически однозначно - с точностью до преобразования унитарной эквивалентности. Значит достаточно предъявить какую-то одну пару (,) - например, шредингеровскую xi,. А все другие наблюдаемые (кроме спецфческих, типа спина) выражаются в квантовой механике через  и  так же, как в классической механике.

ТЕОРЕМА ЭРЕНФЕСТА

Как мы видели, в любой картине, в том числе в шредингеровской, средние значения меняются во времени в соответствии с уравнением

.

Применим его к одномерному движению частицы с гамильтонианом

 = ,

полагая сначала =, а затем =:

,   .

Вычисляем коммутаторы:

 

=

= ;

:

[V(),]y(x)=V()y(x)- V()y(x)=

                  = -V(x)iid y(x)/dx + iid y(x)/d(Vy) =

 = -iiVd y(x)/dx+ii Vd y(x)/dx+iid V/dxy Þ [V(x),] =

 = iidV /dx.

 

Подставляя в уравнения, получим квантовые аналоги уравнений Гамильтона:

     .

Дифференцируя первое уравнение по времени и подставляя из второго, получим квантовый аналог второго закона Ньютона:

.

Итак, средние значения координаты и импульса подчиняются тем же уравнениям, что в классической механике. Это и есть теорема Эренфеста.

FILENAME lecture07.doc

-  PAGE 52 -


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

31636. Положение слуховой трубы у взрослого и ребенка, связь ее с мышцами мягкого неба, значение для слуховой функции 14.62 KB
  Служит для доступа воздуха из глотки в барабанную полость, чем поддерживается равновесие между давлением в этой полости и внешним атмосферным давлением, что необходимо для правильного проведения к лабиринту колебаний барабанной перепонки.
31637. Накопители на гибких магнитных дисках 99 KB
  Структура накопителя на гибких магнитных дисках Устройство накопителя на гибких магнитных дисках НГМД рис. Все электрические схемы размещаются на печатной плате компонуемой в корпусе НГМД. Обычно в профессиональной ПЭВМ к одному адаптеру через интерфейс можно подключать до четырех НГМД. Для подключения определенных НГМД применяются микропереключатели.
31639. Накопители на оптических дисках 1.41 MB
  Основы оптической записи Методы оптической записи на поверхности подвижного носителя основаны на способности некоторых материалов изменять отражательные свойства на участках которые подвергались тепловому магнитному или комбинированному воздействию. Первоначально для оптической записи использовалось свойство лазерного луча прожигать отверстия в тонком слое металла рис. Такой способ записи используется для НОД с однократной записью. Возможность многократной записи обеспечивается при использовании магнитооптических носителей.
31640. Видеоадаптеры. Графические видеоадаптеры точечные 33.63 KB
  Последней командой графического файла является команда безусловного перехода на начало файла что обеспечивает регенерацию изображения. Структура графического адаптера с произвольным сканированием векторного типа: СМ сумматор ГВ генератор векторов Если адаптер работает в абсолютных координатах то ЦП сильно загружен в режиме редактирования или перемещения изображения. Адаптеры такого типа обладают отсутствием мерцания возможностью наложения изображения из видеоЗУ на стандартное телевизионное изображение от телекамеры или...
31641. Системные и локальные шины 23.51 KB
  Стоимость такой организации получается достаточно низкой поскольку для реализации множества путей передачи информации используется единственный набор линий шины разделяемый множеством устройств. Одна из причин больших трудностей возникающих при разработке шин заключается в том что максимальная скорость шины главным образом лимитируется физическими факторами: длиной шины и количеством подсоединяемых устройств и следовательно нагрузкой на шину. Эти физические ограничения не позволяют произвольно ускорять шины.
31642. Системная шина ISA 11.88 KB
  Эта системная шина отличалась наличием второго 36контактного дополнительного разъема для соответствующих плат расширения. Системная шина IS полностью включала в себя возможности старой 8разрядной шины. Шина IS позволяет синхронизировать работу процессора и шины с разными тактовыми частотами.
31643. Психологические особенности детей дошкольного возраста 55.5 KB
  Игра сюжетно ролевая игра Наглядно образное мышление Начало понятийного мышления Картина мира Произвольность поведения Самооценка Практическое овладение речью развитие функций речи Дошкольное детство большой отрезок жизни ребенка. Социальная ситуация развития Изменяется место ребенка в системе отношений уже не является центром своей семьи развивается способность к идентификации с людьми образами героев художественных произведений. Она оказывает значительное влияние на развитие ребенка. Но хотя жизнь в игре протекает в...