当前课程知识点:量子力学(上) > 第六章 中心力场 > *6.2 球无限深势阱 > *6.2.2球无限深势阱中能级的确定
对于无势场情况下
波函数的这样的一些特征
做了研究之后
我们就可以进一步来回答
球无限深势阱中的能级
是如何确定的
根据波函数应该满足的条件
由于在球外
势能是无穷大
波函数等于零
所以说球内的波函数
必须在球的表面上等于零
也就是说
这个ψ在r等于a的地方
应该是零
而它除去
球谐函数的那一部分之外
是一个球贝赛尔函数
作为一个径向波函数
因此
这个条件也就等于要求
第l阶球贝赛尔函数
当我的小r
取在a这个地方的时候
也就是
它的自变量是ka的时候
应该是等于零的
这一来
我们就可以通过这个要求
决定k的值
再往前
也就决定了能量的值
这样一来
我们就面临
这样一个数学问题
那就是
l阶的球贝赛尔函数
当自变量x
等于什么值的时候
这个函数值是零
这个阶次可以取为
所有的非负整数
而x只考虑它大于零的情形
那么我们就把这个方程的解
按照这样的顺序
来予以标志
那就是
首先它有一个阶次l
因此
这个方程的解应该和l有关
然后我们知道
即使你的l确定
这个方程也不止一个解
于是
我们就把这个方程的解
也就是根
按照从小到大的次序排起来
而按照它的位置
给予一个n的编号
因此
这个n是从1开始
取所有的整数
如果我们得到了
这样的根的数值
那么k的允许值就很显然
是这些方程的根除以a
而相应的粒子的能量就是
ℏ平方这个xnl的平方除以
2μa平方
当然它和n以及l都有关
一般的说
这样的一个方程
是一个特殊函数方程
是没有解析表达式的
但是l等于零是一个例外
因为当l等于零的时候
这个j0(x)就是sinx除以x
而让它等于零
也就是sinx等于零
而我们知道
它的解就是n倍的π
这里的n是从1开始的
所有的整数
右下角我们应当记作n0
因为这个地方是l=0
再往前走
那就是
k等于nπ除以a
而E是等于
ℏ平方n平方π平方除以
2μa平方
对于这个n的表达式
我们看起来非常的熟悉
因为它正是宽度为a的
一维无限深势阱的那个能级
而我们知道
三维问题通过
把它约化为径向问题以后
是和一维问题完全类似的
所以说这个答案
其实并不出人意料
但是当l不等于零的时候
我们就只能利用数值的方法
求出这个根
x右下角nl的值
下面我们用这个表列出了
最初的几个xnl的值
横行是相同的l
纵行是依次的
从小到大排列的顺序号
由于我这里的x
都以π为单位
所以说
第一行的数值
实际上
是我们前面已经知道了的
因为当l等于零的时候
这个根就是π的整数倍
因此这里就是整数1 2 3 4
而l等于1的时候
相应的每一个的x的值
都比l=0的时候大了一点
l=2又比l=1更大一点
如此等等
当我们有了
这个x的值的时候
它所对应的能量
那就是
把这个表里边的数值平方
再乘以π2ℏ2除以2μa2
因此
我们把球无限深势阱当中的
能级的问题
化为球贝赛尔函数的
根的问题
从这个角度给予了一个
很清楚的回答
还有一个问题需要研究一下
那就是能级的简并度的问题
根据刚才我们列出的那个表
大家可以看到
这个根对于不同的nl
都是不一样的
所以说
能级只有对量子数m
也就是磁量子数的
那个简并
也就是说
E右下角nl的简并度
只依赖于这个l
它是2l+1
但是
如果x是大于大于1的
也就是说这个能级是很高的
那么
球贝赛尔函数
就有一个渐近表达式
因而
这个球贝赛尔函数的
根的方程
也就近似成为
这样的一个方程
而这个方程
大家都很容易知道
它的解
那就是
X要等于n加上二分之一l
再乘以π
这里的n是非负整数
所以
现在的能级的简并度的情形
就变成了
只要n加上二分之l
是相同的话
那么x就都一样
也就是说
E也就变得是一致了
由于这仅仅是一个近似的解
所以说
同样的这个x所对应的E
并不完全相等然而非常靠近
我们把这种情形称之为
近简并
所以球无限深势阱的高能级
会出现近简并
这样的一种特别的情形
-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