当前课程知识点:量子力学(上) > 第三章 一维势场中的粒子 > 3.2 方势阱 > 3.2.1 一维无限深势阱
下面我们将讲几个
一维运动的例子
第一个例子是方势阱
所谓的方势阱
就是势能函数
在不同的空间段
取不同的常数值
一个最简单的例子
是所谓的无限深势阱
就是这样一个图
这个势阱在这两段
取无穷大的值
而在这一段取零
所以说
把它写成一个解析的表达式
就是这样一个分段的函数
对于这样的一个势阱
可以有一个比较直观的
一个理解
那就是
有两块彼此平行的钢性板
中间没有任何势能
但是
粒子不能进入板以内
这两个地方可以认为
就是钢性板所在的位置
从这样一个图像
我们就可以知道
在阱外
势能是正无穷大
这意味着
粒子不能进入
阱外的这个区间
所以说
波函数一定要恒等于零
这就是波函数在x小于-a
和x大于a
这两段的值
而在势阱内
V是等于零的
所以说
薛定谔方程变成这个样子
这个E
当然是一个大于零的数
所以说
我们用k来代替它
这就使得这个方程就变为
这样的一个形式
就是ψ的二阶导数
加上k^2 ψ等于零
这是一个很典型的
二阶常系数常微分方程
而这里的系数
是一个正值
这个方程的解
是大家所熟悉的
那就是
sin和cos的线性组合
这里把它写成ψ(
x)等于A乘以cos(kx)
加上B乘以sin(kx)
当然要注意
这个解只在阱内才适用
所以
现在在整个的x轴上
我们在三段不同的区间
有三个不同的解
而根据
波函数应该满足的要求
它应该是一个连续函数
所以
我们必须在
这些区间的交界点上
把波函数衔接起来
这个交界点就是
x等于+a或者-a
只要记住
在阱外
波函数是恒等于零的
所以说这也就意味着
在x等于+a
或者负a的地方来做街接
而我们前面在介绍
波函数需要满足条件的时候
谈到
如果在某些点
势能有无限大的跳跃
街接条件只需要使用
波函数本身的连续性
而不需要
要求波函数的
一阶导数也连续
所以
把观察点取在
x等于a的地方
这就是
阱内的波函数的取值
它应该等于零
完全类似的
在x等于-a的地方
这个式子等于零
马上就发觉
它也就是相当于这两项
分别都等于零
而这样的一个联立方程
有两种可能情形的解
第一种
我们可以让B等于零
A却又不能等于零
于是cos(ka)就要等于零
这样的一个三角方程有解
大家应该是很熟悉的
那就是k乘以a是π
的半整数倍
所以
k就只能取这样的值
其中n是从零开始的整数
而另外一方面
E又等于hbar^2 k^2
除以2m
所以说
把k的值代进去
也就得到了E的值
当然它也依赖于n
由于我们现在让B等于零
所以说sin(kx)那一项
不再出现
留下来的是
cos(kx)的那一项
于是在这种情况下
阱内的波函数
就是一个这样的函数
那么我们知道
cos(x)对于变量x而言
是偶函数
用量子力学的语言来说
这个波函数
具有偶的宇称
另外一个解
是让A等于零
于是B就不等于零
而sin(ka)就要等于零
对于这样一个三角方程的解
大家是熟悉的
那就是k乘以a
等于π的整数倍
于是k就等于n π除以a
由此也就可以知道
E等于hbar平方k平方
除以2m
就是这样的一个表达式
而波函数
现在留下来的是
Sin(kx)
于是 我们得到了
在这种情况下的
阱内的波函数
而大家知道
sin(x)对于x而言
是奇函数
在量子力学的意义上
这是一个奇宇称态
刚才所得到的这两种解
其实也可以合起来写
首先是k的值
每一种解都以a分之π
为一个固定的间隔
而这两种解
插在一起就变成了
以2a分之π为间隔
所以说合起来之后的
k的取值变成了
2a分之π的整数倍
由此也就很容易写出
能量的值
那就是hbar平方
乘以这个k平方
再除以2m
也就是这个表达式
而波函数表面上看起来
一个是写成cos(kx)
一个是写成sin(kx)
但是大家知道
实际上
这两个函数彼此之间
只差一个自变量的平移
为了方便起见
我们把它们统一的写为
sin的函数
然而它的自变量
这里加上一个平移项
这就是
对于两种情形都适用的
一个波函数的表达式
这里留了一个
归一化常数
定这个常数的原则就是
利用这个归一化条件
因为现在只有在
x处于-a到+a
之间的地方
波函数才不等于零
所以说
波函数的模平方的积分
也只需要
在这个区间里进行
让它等于1
这个积分那很容易完成
让它等于1
就求出了这个
归一化常数
它的值是根号a分之一
这个值是和n没有关系的
于是
最后我们就写下了
已经归一化的
波函数的表达式
现在我们对于
上面这些结果
进行一些讨论
首先谈到量子化条件
在这里
被量子化的首先是
k的值
我们已经指出
它是2a分之π的整数倍
对于这样的一个关系
我们还可以做
进一步的解释
在量子力学的意义上
hbar乘以k是粒子的动量
而它呢当然也就是
根号2mE
这个式子又可以理解为
2倍L p是h是整数倍
这里的L
就是2a
也就是势阱的宽度
这个式子
还可以有进一步的理解
我们现在
用半经典的图像
把粒子的轨迹
在相空间里
描述出来
这就是粒子的相空间
横轴是x
纵轴是p
我们的位阱处于
负a到正a之间
假设一个粒子
以p_0这么大的动量
从左端点运动到右端点
在右端点被反射
p_0调换方向
成为负p_0
再从右端点
运动回左端点
这样形成了
一个周期运动
那么我们发觉
这个周期运动
在相空间里所包围的
这个矩形里包含的面积
恰好就是
L乘以2倍p_0
也就是刚才我们所说的
那个式子
而它是h的整数倍
意味着
每一个量子状态
在相空间里
占有h这么大的体积
这个结论
以后在统计物理里
有重要的作用
第二个谈到能量
那么
能量也是量子化的
我们发觉
在无限深势阱的情况下
能量
正比于一个整数n的平方
其中n的最小值是1
所以说
能量的最小值就是E_1
也就是hbar平方π平方
除以2倍m L的平方
这里的L
就是势阱的宽度
这个值是不等于的零的
我们把它叫作
量子零点能
对于经典粒子而言
它的最低能量状态
是呆在势阱里不动
因而它的最低能量
可以达到零
但是
量子的零点能
却并不等于零
之所以有这种情形出现
那是由于
微观粒子
要服从不确定关系
也就是说
它的坐标和动量
不能同时有确定值
所以说
在势阱当中
不动的这种状态
是在量子力学的意义上
不可能出现的
这种不等于零的零点能
是量子力学里的普遍现象
然后我们谈到波函数
波函数
从物理意义上来理解
可以解释成为驻波
这就是波函数的图象
从n等于1到n等于4的
4个波函数的图象
这里画的是一个
和时间无关的一个图象
但是要记得
定态波函数
其实
还包含一个
和时间有关的
一个振荡因子
所以说
理解实际的
波函数的变动
如果包含和时间有关的
变化的话
它应该是
以这个为振幅的
一个振荡
那么我们发觉
这和一个固定的
端点的弦振荡
是完全类似的
而我们知道
弦振荡就是一个驻波
如果从量子力学的
解析的角度
来看这件事情
比如说
这个波函数是一个
sin(kx)的这样的形式
而sin(kx)可以写成两个
虚指数函数之差
这两个虚指数函数
有相等的振幅
那么
从物理的意义来理解
两个互相反向运动的行波
以等量的振幅
相叠加的时候
所形成的波
就正好是驻波
所以
从解析的角度来看
我们应该说
这种量子力学的波函数
代表着一种驻波
第四点
谈到宇称
我们发觉
所有的这些态
都有确定的宇称
它们从能级比较低
排到能级比较高的
变动顺序是
一偶一奇
一偶一奇的这种
偶奇相间的形式
其中基态是偶宇称
这一点
也在很多量子系统里出现
第五点
我们谈到波函数的节点
这个节
点其实也就是零点
那么根据刚才所画的
波函数的图像
当n等于1的时候
这个波函数没有零点
当n等于2的时候
它有1个零点
也就是节点
一般情形下就是
第n个能级
有n-1个节点
对于无限深势阱的
空间区间
也可以有另外一种取法
就是取在0到L之间
这里的L
恰好就是势阱的宽度
这样去解同样的问题
所得的能级是完全相同的
区别只是在波函数的写法
不太一样
这种情况下的波函数
直接是一个sin(kx)
但是
它不再直接的体现出
宇称的特征了
-引言
--引言
-1.1 普朗克的光量子假说
-1.2 玻尔的原子结构模型
-1.3 德布罗意的物质波假说
-第一章 量子力学的历史渊源--第1周作业
-2.1波函数
-第二章 波函数与薛定谔方程--第2周作业
-2.2 薛定谔方程
-第二章 波函数与薛定谔方程--第3周作业
-3.1一维运动问题的一般分析
-第三章 一维势场中的粒子--第4周作业
-3.2 方势阱
-3.3 δ函数势阱
-第三章 一维势场中的粒子--第5周作业
-3.4 线性谐振子
-3.5 一维散射问题
-第三章 一维势场中的粒子--第6周作业
-*3.6 δ势的穿透
-*3.7 周期性势场中的能带结构
--第三章 一维势场中的粒子--第7周作业
-4.1 算符及其运算
-第四章 力学量用算符表示--第8周作业
-4.2 厄密算符的主要性质
-第四章 力学量用算符表示--第9周作业
-4.3 动量本征函数的归一化
-4.4 角动量算符的本征值和本征态
-第四章 力学量用算符表示--第10周作业
-5.1 量子力学中的守恒量
-5.2 对称性与守恒量
-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第11周作业
-5.3 全同粒子系统波函数的交换对称性
-*5.4 Schrödinger图画和Heisenberg图画
-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第12周作业
-6.1 中心力场中粒子运动的一般性质
-*6.2 球无限深势阱
-第六章 中心力场--第13周作业
-6.3 三维各向同性谐振子
-6.4 氢原子和类氢离子
-7.1 带电粒子在电磁场中的薛定谔方程
-*7.2 朗道能级
-*7.3 阿哈罗诺夫-博姆(Aharonov-Bohm)效应