67562

КВАЗИКЛАССИЧЕСКОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ

Лекция

Физика

В квантовой механике уравнение Шредингера для сколько-нибудь реалистических систем невозможно решить точно, в квадратурах. Поэтому здесь создано большое количество приближенных методов исследования. Мощнейший из них - теорию возмущений - мы рассмотрим позже.

Русский

2014-09-12

363 KB

0 чел.

Л Е К Ц И Я  12

КВАЗИКЛАССИЧЕСКОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ

В квантовой механике уравнение Шредингера для сколько-нибудь реалистических систем невозможно решить точно, в квадратурах. Поэтому здесь создано большое количество приближенных методов исследования. Мощнейший из них - теорию возмущений - мы рассмотрим позже. А сейчас обсудим квазиклассическое приближение, которое представляет и самостоятельный интерес, так как устанавливает связь квантовой механики и классической. Как мы увидим, квазиклассическое приближение (ККП) справедливо в случаях, когда де-бройлевские длины волн частиц малы по сравнению с характерными масштабами системы. Это аналогично тому, что волновая оптика в пределе малых длин волн переходит в геометрическую.

Рассматриваем стационарное одночастичное уравнение Шредингера в координатном представлении:

 2 (r) +V(r) (r) = E(r)

и делаем в нем формальную подстановку (замену функции)

 (r) = A.

Учитывая, что

= (S)A,   2 = (2S)A  (S)2A,

получим для S следующее уравнение:

 (S)2  2S +V  E = 0.

Если отбросить второй член, то получим

 (S)2 +V = E.

Но это есть не что иное, как классическое уравнение Гамильтона - Якоби для функции действия S0 (укороченное). Приближение справедливо при

 S2  2S.

Но в классике S=p, а потому

 p2>>divp(x),

или, в одномерном случае

 p2 >>   1 >>  =  =   ,

где    де-бройлевская длина волны. Таким образом, переход возможен при условии

  << 1,

т.е. когда длина волны де Бройля мало меняется на протяжении системы. Можно сказать и иначе. Учитывая, что

 p(x) =,

получим

 1 >>  =      << 1.

Приближение справедливо, когда сила невелика (потенциальная энергия достаточно плавная функция координат), а импульс не слишком мал. В частности, приближение не работает вблизи точек поворота E =V(x), где p = 0, а = . Это будет важно в дальнейшем.

Последующее рассмотрение проводим для одномерного движения, когда уравнение для функции S(x), входящей в волновую функцию

 (x) = A,

имеет вид

 iS  S2 + 2(E V) = 0.  ()

Решение этого точного уравнения будем искать в виде ряда по :

 S(x) = S0(x) +S1(x) +2S2(x) + ....

Этот ряд сходится плохо, и отыскание поправок высшего порядка малости по  затруднено. К тому же  разложение разумно (т.е. может получать эффективные результаты) только при обсужденном выше условии. Ограничимся поправками, линейными по , т.е. ищем S в виде

 S(x)  S0(x) + S1(x) .

Подставляем в (), отбрасывая члены с 2:

 2(E V)  S02 +(iS0  2S0S1) = 0.

Это должно быть тождеством, а потому должны равняться нулю отдельно члены без  (с 0) и члены с  (1):

 2(E V)  S02 = 0,     iS0   2S0S1 = 0.

Собственно говоря, именно это приближение и называется квазиклассическим. Оно же именуется методом ВКБ (Вентцеля - Крамерса - Бриллюэна).

Уравнение нулевого приближения есть уравнение Гамильтона - Якоби, из которого

 S0 =   = p,

где

 p(x) =   

классический импульс.

Итак, в нулевом приближении

 S0(x) = |p(x)|dx.

Здесь x0 - координата некоторой фиксированной точки на прямой. В качестве нее удобно выбирать классическую точку поворота, где

E =V(x0).

Заметим, что в классически доступной области I импульс вещественен, а в классически недоступной области II он является чисто мнимым.

Уравнение для S1 переписываем в виде

 S1 = i/2(S0’’/S0)  i/2(lgSo).

Интегрируя его, находим

 S1 = i/2lgS0 = i/2(lgp)

(постоянная интегрирования несущественна, и ее опускаем). Таким образом, в приближении ВКБ

 S(x) = pdx+iln,

и

 (x) = .

Обращаясь к картинке, запишем этот результат отдельно в областях I (x<x0, классически доступная) где импульс вещественен, и II (x>x0, классически недоступная), где импульс мнимый:

I.I(x) = ,          p(y) = ,

или

I(x) = a sin (z +) +bcos(z +),        z(x) |p(y)dy|;

II. II(x) = ,      p(y) = = ip(y),

или

II(x) = [Ae-|z|+Be|z|],     |p(y) =,     z  |p(y)|dy.

В эти решения входят 6 неизвестных вещественных констант: a, b, , , A, B. Свяжем их между собой, сшивая решения для областей I и II.

Но здесь есть значительная трудность. В точке поворота p(x0)=0, и квазиклассическое приближение здесь не работает (см. выше), т.е. выписанные функции не являются решениями задачи даже приближенно. Способ таков: вводим промежуточную область III, в которой решаем уравнение Шредингера точно, и именно это решение его концами сшиваем с соответствующими квазиклассическими решениями. Область III считаем весьма узкой, что позволяет аппроксимировать потенциал V(x) линейной функцией, разлагая его в ряд Тейлора:

V(x) V(x0) + (x  x0)V(x)  E +(xx0),        = V(x).

Тогда точное (в смысле не квазиклассическое) уравнение Шредингера в области III будет записываться как

 (x)   (xx0) (x) = 0.

После замены переменной

  = 13(xx0)

оно примет вид

  -  = 0.

Это есть уравнение Эйри, и оно имеет два независимых решения:

u1() = ,    u2() = .

Теперь будем сшивать решения по границам областей I - III и III - II.

  1.  При x>x0  за счет 2 в знаменателе имеем >>1, и для функций Эйри можно воспользоваться известными из справочников асимптотическими выражениями (кстати, они получаются методом перевала):

 u1  , u2 = .

  1.  При x<x0 по тем же причинам <<-1, и асимптотики таковы:

 u1  ,   u2  .

Первую асимптотику будем сшивать с II(x), а вторую - с I(x).

(а) В области I x=x0  (>0,   0) подставляем в p(x) потенциал

 V(x) = (x0x)

разлагаем в ряд Тейлора и вычисляем

 z = p(y)dy   2/3 3/2.

(б) В области II x=x0+, и аналогичные выкладки дают

 z  2/3 3/2.

Теперь, задавшись решением в I, сшиваем его с асимптотикой (2), находим асимптотику того же решения в (1) и сшиваем с решением II. Решая возникающие алгебраические уравнения, получим

 A = a/2,    B = b,     =  = .

В итоге получим следующее квазиклассическое решение:

 (x) = a1(x) + b2(x),

где

1(x) = ;       2(x) =

При этом константы a и b находятся из общих граничных условий (скажем, ограниченность на бесконечности) и условий нормировки. Полученные решения справедливы, вообще говоря, только вне - окрестности точки поворота. Но если на интервале 2 укладывается много длин волн де Бройля, то выражениями можно пользоваться во всей области.

КОЭФФИЦИЕНТ ПРОХОЖДЕНИЯ

В качестве примера применения метода ВКБ вычислим коэффициент прохождения частицы через барьер произвольной формы (а не прямоугольной). При этом считаются выполненными условия квазиклассичности, т.е. барьер - достаточно плавный. Это значит, помимо всего прочего, что он широкий, и что энергия много меньше высоты барьера. Идея: задаем волновую функцию в области I в виде суперпозиции падающей и отраженной волн, «протягиваем» ее по полученному рецепту в область II, а затем по несколько модифицированному рецепту в область III и требуем, чтобы там не было отраженной волны.

I. I(x) = sin (z +) +cos(z +)

   пад(x) + отр(x).

 z = p(y)dy,     B0 = 1/2(b+ia),     B1 = 1/2(bia)

II. II(x) =

|z| = |p(y)dy|,     ;

  

 II(x) = 

 

III. III (x) = ,

  

Но в области III не должно быть отраженной волны (по постановке задачи - частицы падают из -, частично отражаются, а частично уходят на +). Поэтому

 = 0     = -i;

 ;

 B0=1/2 (b+ia) = (1/4 e-2 +1)

 B1 = 1/2 (b-ia) = (1/4 e-2 - 1).

Таким образом, все коэффициенты выражаются через a, который можно (но в данной задаче не нужно) найти из условия нормировки:

 b =

 

 .

Здесь следует выделить B0 (коэффициент при падающей волне) и  (коэффициент при отраженной волне). Вводим коэффициенты прохождения и отражения

 D = ,      R = ,

где токи выражаются через соответствующие волновые функции:

 j = .

Подставляя найденные коэффициенты получим

 D = ,

 R = 

Но здесь произошло некоторое превышение точности. В частности, D+R1, в противоречии с сохранением вероятности (куда делись частицы?). Однако нужно учесть, что

  = >>1.

Тогда равенство D+R=1 , будет выполняться с точностью до слагаемых типа exp(-2) и exp(-4), которые тем самым нужно отбросить. Их нужно отбросить и в выражении для D, для которого окончательно получаем

 D = e-2 = exp.

Это весьма важная формула, и она часто применяется - например, при анализе альфа-распада ядер, механизм которого, как известно, туннельный.

FILENAME lecture12.doc

-  PAGE 119 -


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35127. Бюджет, финансы и налоговая политика 38 KB
  Успешное решение этих задач будет иметь важное значение при рассмотрении проекта Бюджетного кодекса Республики Беларусь внесение которого планируется в Палату представителей в 2005 году. Принимаемые законы должны быть направлены на повышение результативности бюджетных расходов обеспечение выполнения показателей социальноэкономического развития республики на совершенствование бюджетной политики укрепление местных бюджетов и предоставление им большей самостоятельности. По мнению Постоянной комиссии по бюджету финансам и налоговой политике...
35128. Финансы и их структура 441.5 KB
  Подоходный налог с физических лиц который собирают: параграф 1 Предприятия и учреждения; параграф 2 Налоговые органы. Средства пенсионного фонда образуются из следующих источников: 1 Страховые взносы которые платят все предприятия независимо от формы собственности. При их участии создается ВВП распределяемый внутри предприятия и отраслей хозяйства. Фонды страхования предназначены для возмещения ущерба нанесенного стихийными бедствиями предприятиям и населению а по личному страхованию выплаты застрахованному лицу или его семье...
35129. БЕЛАРУСКАЯ МОВА. ПРАФЕСІЙНАЯ ЛЕКСІКА 1.48 MB
  Лічылася што мова закладзена ў самой біялагічнай сутнасці чалавека і перадаецца ў спадчыну. На самой справе мова зява біялагічная і псіхічная але ў тым сэнсе што ў чалавеку генетычна закладзена здольнасць авалодаць мовай г. Кожны чалавек валодае не мовай увогуле а канкрэтнай мовай ці мовамі што належыць пэўнаму народу. Сацыяльная прырода мовы заключаецца найперш у тым што яна аснова і форма грамадскай свядомасці і разам з тым унікальны і універсальны сродак зносін людзей феномен духоўнай культуры чалавецтва [7].
35130. Расчёт пространственного одноэтажного промышленного здания, оборудованного мостовым краном 414.33 KB
  Список литературы Исходные данные Количество пролетов 3; Длина пролета l1 = 18 м; Длина здания l = 168 м; Несущая конструкция покрытия балка; Шаг колонн 6 м; Высота до верха рельса 84 м; Грузоподъемность крана 15 т; Расчетное сопротивление грунта Rгр =019 МПа; Место строительства г. Расчет крайней колонны Данные для расчета сечений: бетон тяжелый класса B15 подвергнутый тепловой обработке при атмосферном давлении Rb = 85 МПа; Rbt = 075 МПа; Eb = 20500 МПа. Арматура класса АIII d 10 мм RS = RSC =...
35131. Форматирование результатов запроса 82 KB
  Например можно применить следующую команду чтобы увидеть определенные поля таблицы Slespeople упорядоченные по убыванию поля commission comm: SELECT snme comm FROM Slespeople ORDER BY 2 DESC; Мы рассматриваем это свойство ORDER BY для того чтобы продемонстрировать возможность его использования со столбцами выходных данных; эта процедура аналогична применению ORDER BY со столбцами таблицы. Например чтобы подсчитать заявки orders для каждого продавца slespeople и вывести результаты в убывающем порядке: SELECT snum COUNT DISTINCT...
35132. Создание таблиц 90 KB
  Команда CRETE TBLE Таблицы определяются с помощью команды CRETE TBLE создающей пустую таблицу таблицу не имеющую строк. Команда CRETE TBLE определяет имя таблицы и множество поименованных столбцов в указанном порядке. Синтаксис команды CRETE TBLE: CRETE TBLE имя таблицы имя столбца тип данных [ размер ] имя столбца тип данных [ размер ]. Поскольку пробелы используются для разделения отдельных частей команд в SQL их нельзя использовать как часть имени таблицы.
35133. Основные понятия SQL 152.5 KB
  Он используется для связи с такими системами управления базами данных как Orcle INGRES Informix Sybse SQLbse Microsoft SQL Server DB2 СУБД самой IBM продуктами SQL DC Prdox ccess pproch и многими другими. Обычно продукт базы данных включает не только СУБД. Собственно СУБД иногда ее называют исполнительной системой или исполнительным механизмом базы данных является рабочей лошадкой продукта. Она хранит данные осуществляет поиск и выборку данных а также записывает данные посредством исполнения операторов SQL В вычислительной...
35134. Альтернативная программная реализация выборки и модификации данных в базе данных Interbase 34.5 KB
  Конфигурируется ODBCисточник реализующий доступ к БД Interbse. В DBE dministrtor настраивается псевдоним БД доступной через BDE и представляющей собой в данном случае ODBCисточник. В отличие от 3го способа являющегося усовершенствованным подходом BDE 1й способ является более универсальным и более ресурсоемким в первую очередь по критерию времени поскольку представляет собой использование промежуточного уровня BDE и промежуточного уровня ODBC а 2й менее универсальным и менее ресурсоемким поскольку предполагает использование...
35135. Пример реализации трехзвенной архитектуры 39.5 KB
  Два разрабатываемых при этом программных компонента это сервер приложений и клиент взаимодействующие по протоколу DCOM. Разработка сервера приложений Основные шаги создания сервера приложений: Создание удаленного модуля данных Remote Dt Module. Однократный запуск программы с целью регистрации сервера приложений в реестре Windows. Для распределенного использования разработанных клиентского и серверного приложений требуется установка некоторых дополнительных программных компонент.