当前课程知识点:量子力学(上) > 第三章 一维势场中的粒子 > 3.5 一维散射问题 > 3.5.2 方势垒的量子隧穿
下面我们就讲一个
具体的散射的例子
这就是
方势垒的量子隧穿
所谓的方势垒就是
在 x < 0
或者 x > a 的
这两个区间里
势能都等于零
当然
它在正负无穷的地方
也就是零
而在 0 < x < a 的地方
它有一个正的常数值
我们记作 V0
那就是下面这张图
这里我们把能量取在了
0 和 V0 之间
在这个位置
在 x < 0 的这个区域
我们这里画了一个
向右的箭头
和向左的箭头
表明在这个区域里边
存在着正向行波
和反向行波
正向行波就是入射波
反向行波就是反射波
所以
x < 0 的这个区间里边
的波函数
是这样的两项之和
到了 x > a 的区域
就只有向右的箭头
那是透射波
而不存在
从右向左传播的波
那是因为
这一边
并没有粒子源存在
这时候在中间的
势垒区域里边
我们用曲线大致的表示了
波函数的变动情况
它可以写成 e 的
正指数函数
和 e 的负指数函数的
线性组合
正是由于这一段波的存在
才产生了
x > a 的
这个区间里边的透射波
下面我们就来做
具体的演算
由于现在所取的能量是
0 到 V0 之间
所以说
应该把这个方程分成
两种不同的情形
那就是
在 V =0 的地方
也就是
x < 0 或者是 x > a
它的方程是这个样子的
其实就是我们刚才
分析的时候
所写下来的
正负无穷的时候
的那个方程
但是在势垒内部
它是另外一个方程
最大的区别是
这个系数前面是正号
这个系数前面是负号
α 是由 E 和 V0 之间的差
所决定的一个常数
那么
在粒子从左方入射的时候
我们根据刚才所写的
定解条件
或者说边界条件
以及这个方程 就可以
把 ψ 按照分段的方法
写成三段不同的表达式
这个和这个
其实
就来自我们的边界条件
而这个表达式适用于
在势垒的内部
它是双曲正弦
和双曲余弦的线性组合
当然
把这个方程的解写成
eαx
和 e-αx 的线性组合
也是可以的
其实这两种不同的取法
对于我们最后的结果来说
是没有影响的
那么
下边我们应该做的事情就是
根据 ψ 和 ψ 的一阶导数
在 x = 0 和 x = a
这两点都要连续这个要求
写下它们所决定的方程组
当我们取 x = 0 的时候
这个连续性
导致了这样的两个方程
我们发觉
它就使我们可以由 B
来决定 F 和 G
然后我们再取
它在 x = a 的地方
的连续性
我们发觉
它就给出了 B 和 C
应该满足的一个方程组
而这个方程组
很容易就解出来
得到了 B 和 C 的值
这个过程虽然比较繁复
但是没有什么困难
这里就不再进行详细的推导
只把结果写在这里
这里想提醒大家的是
B 和 C 都是复数
因为这里出现了有 i
这里也有 i
而且这个呢
也是一个复数
所以说
如果我们要求
反射几率和透射几率的话
不要忘记是求
复数的模平方
而不是一个平方
这就是 R = |B|2
T = |C|2
它们都是一个
分式的表达式
特点是
它们的分母是一样的
分子是不同的
但是这两个分子的和
恰好等于分母
对于这样的表达式
我们可以做下边的一些讨论
进一步来理解
它们的物理意义
第一
根据刚才的那个描写
我们马上发觉
R + T = 1
这个等式的意义
很容易理解
那就是
入射的粒子只有两个出路
要么是被反射
要么是透射过去
所以说
反射几率加上透射几率
应该等于 1
所以说
这其实就是一个
几率守恒
给出来的一个必然结果
第二
从物理的角度来说
最重要的
是这样的一个现象
那就是
我们现在取的条件
是 E < V0
但是我们发觉
T ≠ 0
从量子力学的角度来说
我们的方程
给出就是这样的结果
似乎没有什么奇怪
但是
要是从经典力学的
角度来说的话
这一点就很难理解
因为
E 是动能和势能之和
如果 E < V0 的话
意味着
这时候的动能是小于零的
这当然是绝对不可能的事情
换句话说
在这种条件成立的时候
从经典力学的角度来讲
粒子根本不可能穿过势垒
而现在
量子力学给我们的结果是
粒子却穿过了这个势垒
所以这样的效应称之为
量子隧道效应
好像
一列火车
穿过了山里的隧道
而跃过了一个山顶
量子隧道效应也简称
叫做量子隧穿
为了让大家有一个
直观的理解
这里我们演示一下
透射几率 T
随着粒子能量变化的曲线
注意的是
这个横轴 标的是
E/V0 的值
这里是这个比值等于1
所以说
这一点以下
表示 E < V0
从这往上是表示的是
E > V0
我们不妨设想一下
如果是一个经典粒子
射入这样的一个位垒
它会给出什么样的
T 随着 E 的变化呢
当然如果它的能量
小于势垒的高度
粒子就完全不可能
穿过这个势垒
因此
在这一段
经典粒子的透射几率
完全等于零
而一旦它的能量
高于势垒的最高值
它就一定会
跃过这个势垒
也就是说
当 E > V0 的时候
T 就等于 1
所以说
经典粒子的这样的一个
透射几率的变化
是这样的一个
跳跃的曲线
这是 0
一下跳到 1
而现在我们发觉
量子的粒子的透射曲线
不是这样的一个跳跃
而是一个连续的变化
最重要的是
当E/V0 < 1 的时候
这里的 T 并不等于零
这就是我们刚才所说的
量子隧穿
当 E > V0 的时候
这条曲线也并不恒等于 1
而是有一个振荡的行为
这就是量子的粒子
和经典粒子的
非常不同的表现
更定量地来说
刚才那个表达式有点复杂
我们可以做一个近似
那就是取
αa>>1 的
那么这个时候
这个 T
就有这样的一个
近似表达式
就是 T0 乘以这样的一个
复指数函数
e-2αa
我们来看一看这个 αa 的构成
这里边是 V0 - E
也就是
能量和势能最大值之间的差
a 叫做势垒的宽度
粗略地来说我们可以称
这就是
E 这条直线和势能的顶部
所加的那块面积
T0 是由 E 和模型参数
所决定的
另外一个表达式
在这里最重要的
是这个因子
我们发觉
它是一个负指数函数
而我们知道
负指数函数
对于指数上的这个数值
有非常敏感的依赖
所以
由此我们看出
量子隧穿率
对于势垒的高度 宽度
和粒子的能量
具有非常大的敏感性
这样的一个敏感性
使得物理学家们发现了
量子隧穿的很多应用
比如说
可以用它来解释
放射性元素的 α 衰变
利用这样的一个效应
制造出了隧道二极管
扫描隧道显微镜
等等
隧道二极管
和扫描隧道显微镜
都是获得了诺贝尔奖的
物理研究成果
-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