Sylabus

Aplikace kvantové mechaniky Volná částice. Částice v potenciálové jámě. Tunelový jev. Lineární harmonický oscilátor. Atom vodíku.

Volná částice

  • volná -> žádné okrajové podmínky pro vlnovou funkci, nekvantovaná energie a nekvantovaný impuls

Stacionární stavy

  • nejdříve vyřešit pro jednu dimensi

Cílem je vyřešit nečasovou Schrödingerovu rovnici (tedy najít tvar ψ(x) \psi(x)\ ):

−h22md2ψ(x)dx2=Eψ(x) (17.1)-\frac{h^2}{2m}\frac{d^2\psi (x)}{dx^2} = E\psi (x)\ (17.1)

Přepíšeme do tvaru (d2dx2+2mEℏ2)ψ(x)=0 (17.2)\left(\frac{d^2}{dx^2}+\frac{2mE}{{\hbar}^2}\right)\psi(x)=0\ (17.2) a označíme 2mEℏ2=k2 (17.3)\frac{2mE}{{\hbar}^2}=k^2\ (17.3), kde k k\ je vlnový vektor. Když najdeme řešení odpovídajícího charakteristického polynomu λ2+k2=0  {\lambda}^2+k^2=0\ , tak odkud dostaneme λ1,2=±ik \lambda_{1,2}=\pm ik

Odtud řešení Schrödingerovy rovnice (17.2) ψ(x)=e±ikx (17.4)\psi(x)=e^{\pm ikx}\ (17.4).

Z definice operátoru p^=−iℏddx\hat p=-i\hbar\frac{d}{dx} je vidět,že impuls částice s takovou vlnovou funkcí je p=±ℏk p=\pm \hbar k\ .

Vlnová funkce jde tedy psát ve tvaru ψ(x)=e−pxiℏ \psi(x)=e^{\frac{-px}{i\hbar}}.

Výsledná časová funkce se zapíše jako ψ(x,t)=eEt−pxiℏ (17.5)\psi(x,t)=e^{\frac{Et-px}{i\hbar}}\ (17.5)

(impuls p p\ může nabývat kladných i záporných hodnot) a celková energie částice je její kinetická energie E=ℏ2k22m=p22mE=\frac{{\hbar}^2k^2}{2m}=\frac{p^2}{2m}

Vlnová funkce (17.5) je vlastní funkcí hamiltoniánu H^ψ=T^ψ=−ℏ22md2ψdx2=p22mψ\hat H\psi=\hat T\psi=-\frac{{\hbar}^2}{2m}\frac{d^2\psi}{dx^2}=\frac{p^2}{2m}\psi s vlastní energií E=p22mE=\frac{p^2}{2m}.

Tato funkce je zároveň vlastní funkcí operátoru impulsu p^ψ=−iℏddxψ=pψ\hat p\psi=-i\hbar\frac{d}{dx}\psi=p\psi s vlastní hodnotou p=±ℏkp=\pm \hbar k .

Operátory p^ a T^\hat p\ \text{a}\ \hat T spolu komutují, [T^,p^]=0 [\hat T, \hat p]=0, takže mají stejné vlastní funkce. Jednorozměrný pohyb volné částice jde proto popsat dvěma kvantovými čísly - kinetickou energií E=p22mE=\frac{p^2}{2m} a impulsem p p\ .

PS: De Broglieho vztah p=±ℏkp=\pm \hbar k nebylo třeba předpokládat, vyšel řešením Schrödingerovy rovnice.

Normování

Vlnová funkce volné částice nelze normovat na jedničku ∥ψ∥2=1\|\psi\|^2=1. Normuje se proto buď na objem nebo na Diracovu δ \delta\ -funkci.

Na konečný objem

Nejdřív zavedeme umělé kvantování s pomocí cyklické (periodické) hraniční podmínky: ψ(x)=ψ(x+L)  \psi(x)=\psi(x+L)\ , kde ψ \psi\ je vlnová funkce a L L\ je délka intervalu, po kterém se vlnová funkce periodicky opakuje. To vede na kvantování momentu hybnosti pn=2πℏnLp_n=\frac{2\pi\hbar n}{L}.

Kvůli periodicitě exponenciály stačí uvažovat n=1..L n=1..L\ , kde L L\ bude velké přirozené číslo. Vzhledem k periodicitě vlnové funkce lze pak zavést normování při integraci přes libovolný interval délky L L\ , takže dostaneme vlnové funkce s kvantovanými impulsy ψ(x)n=1Le−pnxiℏ\psi(x)_n=\frac{1}{\sqrt{L}}e^{-\frac{p_n x}{i\hbar}}

Všechny výpočty se pak provádějí s těmito funkcemi, na konci se provede limita L→∞L\to\infty . Pro vlnovou funkci závisející na třech prostorových souřadnicích se normování provede pro každou souřadnici zvlášť.

Na δ \delta\ -funkci

Využijeme vyjádření δ \delta\ -fce ve tvaru δ(k)=12πℏ∫Re−ikxℏdx\delta(k)=\frac{1}{2\pi\hbar}\int_{R} e^{\frac{-ikx}{\hbar}}dx.

Normujeme-li prostorovou část vlnové funkce ψ(x,t)=eEt−pxiℏ\psi(x,t)=e^{\frac{Et-px}{i\hbar}} vztahem $\psi(x)p=\frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}}e^{-\frac{px}{i\hbar}}$, dostaneme skalární součin $ \int{R}\psi(x)p^* \psi(x){p'} dx = \frac{1}{2\pi\hbar}\int_{R}e^{\frac{x(p-p')}{i\hbar}} dx=\delta(p-p')$,

Toto normování má přednost především z hlediska relací úplnosti a Diracovy symboliky.

Obecné řešení časové Schrödingerovy rovnice

Obecné řešení časové Schr. rovnice lze psát jako superposici řešení ψ(x,t)=12πℏ∫Rc(p)ep22mt−pxiℏdp\psi(x,t)=\frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}}\int_{R}c(p)e^{\frac{\frac{p^2}{2m}t-px}{i\hbar}}dp, kde c(p) c(p)\ je komplexní koeficient rozvoje do rovinných vln závislý na p p\ . Funkce c(p) c(p)\ je Fourierovým obrazem funkce ψ(x,0) \psi(x,0)\ a lze ho určit zpětnou transformací c(p)=12πℏ∫Rψ(x,0)epxiℏdx. c(p)=\frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}}\int_{R}\psi(x,0)e^{\frac{px}{i\hbar}}dx.

Ve 3D tedy ψ(r,t)=1(2πℏ)3/2∫Rc(p)ep22mt−priℏd3p\psi(\mathbf{r},t)=\frac{1}{(2\pi\hbar)^{3/2}}\int_{R}c(\mathbf{p})e^{\frac{\frac{p^2}{2m}t-\mathbf{p}\mathbf{r}}{i\hbar}}d^3\mathbf{p}

a

c(p)=1(2πℏ)3/2∫Rψ(r,0)epriℏd3r.c(\mathbf{p})=\frac{1}{(2\pi\hbar)^{3/2}}\int_{R}\psi(\mathbf{r},0)e^{\frac{\mathbf{p}\mathbf{r}}{i\hbar}}d^3\mathbf{r}.

Potenciálová jáma

Nekonečně hluboká

1-dimensionální

V intervalu ⟨0,a⟩\langle 0,a \rangle položíme potenciál V(x)=0 V(x)=0\ , mimo tento interval ji položíme nekonečně velkou. Všude kromě intervalu ⟨0,a⟩\langle 0,a \rangle bude tedy ψ(x)=0 \psi(x)=0\ a pro ⟨0,a⟩\langle 0,a \rangle řešíme stacionírní Schrödingerovu rovnici

−ℏ22md2ψ(x)dx2=Eψ(x)\frac{-{\hbar}^2}{2m}\frac{d^2\psi(x)}{dx^2}=E\psi(x)

To vede na řešení ψ(x)=Aeikx+Be−ikx \psi(x)=Ae^{ikx}+Be^{-ikx}\ (viz volná částice).

Konstanty A, BA,\ B získáme z podmínek spojitosti ψ \psi\ a okrajích, tedy

ψ(0)=0, ψ(a)=0\psi(0)=0,\ \psi(a)=0.

Vyřešením první podmínky dostaneme ψ(x)=Nsin⁡(kx) \psi(x)=N\sin(kx)\ , kde N=2iA N=2iA\ je komplexní konstanta, dosazením do druhé podmínky získáme sin⁡(ka)=0 \sin(ka)=0\ , odkud k=πnak=\frac{\pi n}{a}.

Jelikož k2=2mEℏ2k^2=\frac{2mE}{{\hbar}^2}, jsou tedy energie En=π2ℏ22ma2n2 E_n=\frac{{\pi}^2{\hbar}^2}{2ma^2}n^2 a je vidět, že kvantování je důsledkem okrajových podmínek.

Vlnové funkce příslušné těmto energiím jsou ψ(x)=Nsin(πnax)\psi(x)=Nsin(\frac{\pi n}{a}x)

Konstantu N N\ určíme z normovacích podmínek

∫0aN2sin2(πnxa)dx=1, subst. y=πnxa, dx=adyπn, aN2πn∫0πnsin2(y)dy=1, ⇒N=2aeiα\int_{0}^{a} N^2 {sin^2(\frac{\pi n x}{a})}dx=1,\ \text{subst.}\ y=\frac{\pi nx}{a},\ dx=\frac{a dy}{\pi n},\ \frac{aN^2}{\pi n} \int_{0}^{\pi n} {sin^2(y)} dy=1,\ \Rightarrow N=\sqrt{\frac{2}{a}}e^{i\alpha}

eiα e^{i\alpha}\ je fázový faktor (N N\ je komplexní číslo, takže α \alpha\ říká, kam v komplexní rovině to N N\ míří), obvykla volíme jako 1 1\ .

Celkově jsou tedy vlnové funkce ψ(x)=2asin(πnax)\psi(x)=\sqrt{\frac{2}{a}}sin(\frac{\pi n}{a}x)

a k nim příslušné energie jsou En=π2ℏ22ma2n2 E_n=\frac{{\pi}^2{\hbar}^2}{2ma^2}n^2.

Energie stacionárních stavů mají tyto vlastnosti:

  • Energie En E_n\ jsou větší než nula, stav s energií En≤0 E_n\leq 0\ není možný.

  • Energetické spektrum En ,n=1, 2, 3,…E_n\ , n=1,\ 2,\ 3,\dots je diskrétní a nedegenerované.

  • Energie En E_n\ jsou úměrné n2, En∼n2n^2,\ E_n\sim n^2, zatímco jejich rozdíly jsou přibližně lineární v n n\ En∼nE_n\sim n a relarivní rozdíl energií klesá jako En+1−EnEn∼1n\frac {E_{n+1}-E_n}{E_n}\sim \frac{1}{n}. S rostoucím n n\ se tedy přibližujeme klasickému případu, kdy jsou energie spojité.

  • Vlnové funkce jsou ortonormální a tvoří bázi Hilbertova prostoru.

  • Počet uzlů funkcí ψn(x) \psi_n(x)\ v intervalu ⟨0,a⟩\langle 0,a \rangle je roven n−1 n-1\ .

  • Funkce ψn \psi_n\ jsou sudé, respektive liché vzhledem ke středu intervalu ⟨0,a⟩\langle 0,a \rangle, lze vyjádřit s pomocí jejich parity (−1)n−1 (-1)^{n-1}\ . Vlnová funkce základního stavu (n=1) (n=1)\ je sudá, s rostoucím n n\ se parita střídavě mění.

Obecné řešení časové Schrödingerovy rovnice je tvaru ψ(x,t)=∑n=1∞cnψn(x)eEntiℏ \psi(x,t)=\sum_{n=1}^{\infty}c_n\psi_n(x)e^{\frac{E_n t}{i\hbar}}.

Koeficienty cn c_n\ jsou určeny počáteční podmínkou pro t=0 ψ(x,0)=∑n=1∞cnψn(x)t=0\ \psi(x,0)=\sum_{n=1}^{\infty} c_n\psi_n(x), odkud cn=∫0aψn∗(x)ψ(x,0)dxc_n=\int_{0}^a\psi_n^*(x)\psi(x,0)dx.

Z požadavku normování funkce ∫R∣ψ(x,t)∣2dx=1 \int_{R}|\psi(x,t)|^2dx=1\ plyne

∫0a∣ψ(x,t)∣2dx=∑m,n=1∞cm∗cn∫0aψm∗(x)ψn(x)e(En−Em)tiℏdx=∑n=1∞∣cn∣2=1\int_{0}^a |\psi(x,t)|^2 dx= \sum_{m,n=1}^{\infty} c_m^*c_n \int_{0}^a \psi_m^*(x) \psi_n(x) e^{\frac{(E_n-E_m)t}{i\hbar}}dx=\sum_{n=1}^{\infty} |c_n|^2=1 .

Pravděpodobnost naměřit energii En E_n\ ve stavu popsaném vlnovou funkcí ψ(x,t) \psi(x,t)\ je pn=∣cn∣2 p_n=|c_n|^2\ .

3-dimensionální

3D potenciálová jáma je charakterisovaná potenciální energií V(x,y,z)=0  V(x,y,z)=0\ pro 0≤x≤a,0≤y≤b,0≤z≤c0\leq x\leq a, 0\leq y\leq b, 0\leq z\leq c, kde a, b, ca,\ b,\ c jsou rozměry jámy. Mimo jámu je opět V→∞ V\to\infty.

Stacionární Schrödingerova rovnice je teď −ℏ22m(∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)ψ(x,y,z)=Eψ(x,y,z) -\frac{{\hbar}^2}{2m}(\frac{{\partial}^2}{\partial x^2}+\frac{{\partial}^2}{\partial y^2}+\frac{{\partial}^2}{\partial z^2})\psi(x,y,z)=E\psi(x,y,z).

Řešíme separací proměnných ψ(x,y,z)=ψx(x)ψy(y)ψz(z) \psi(x,y,z)=\psi_x(x)\psi_y(y)\psi_z(z)\ , tedy předpokládáme, že E=Ex+Ey+Ez E=E_x+E_y+E_z\ .

Pro každou vlnovou funkci tak dostaneme stacionární Schr. rovnici

−ℏ22md2ψx(x)dx2=Eψx(x), −ℏ22md2ψy(y)dy2=Eψy(y), −ℏ22md2ψz(z)dz2=Eψz(z)\frac{-{\hbar}^2}{2m}\frac{d^2\psi_x(x)}{dx^2}=E\psi_x(x),\ \frac{-{\hbar}^2}{2m}\frac{d^2\psi_y(y)}{dy^2}=E\psi_y(y),\ \frac{-{\hbar}^2}{2m}\frac{d^2\psi_z(z)}{dz^2}=E\psi_z(z).

Použitím výsledků z 1D jámy dostaneme (normované) funkce ψnlm(x,y,z)=8abcsin(πxla)sin(πymb)sin(πznc), l,m,n=1,2,3… \psi_{nlm}(x,y,z)=\sqrt{\frac{8}{abc}}sin(\frac{\pi xl}{a})sin(\frac{\pi ym}{b})sin(\frac{\pi zn}{c}),\ l,m,n=1,2,3\dots s odpovídajícími energiemi Enlm=π2ℏ22m(l2a2+m2b2+n2c2)E_{nlm}=\frac{{\pi}^2{\hbar}^2}{2m}(\frac{l^2}{a^2}+\frac{m^2}{b^2}+\frac{n^2}{c^2}).

Je vidět, že např. pro a=b=c a=b=c\ odpovídá některým energiím (vyšším než E111 E_{111}\ )několik nezávislých funkcí. Pak jde o degenerovanou energii. Čím vyšší je symetrie hamiltoniánu, tím je vyšší degenerace.

Samozřejmě lze vytvořit i jinou potenciálovou jámu, než pravoúhlou krabici. Potom ale Schr. rovnice obvykle nemá analytické řešení. Řešitelná je např. jáma ve tvaru koule, kde jsou řešením sférické Besselovy funkce.

Konečně hluboká

Předpokládáme, že v jámě (pro −a2≤a2-\frac{a}{2}\leq \frac{a}{2}) je potenciál roven V=0 V=0\ a mimo jámu je V=V0 V=V_0\ .

konecna jama II.jpg

Řešíme tedy stacionární Schr. rovnici (−ℏ22md2dx2+V(x))ψ(x)=Eψ(x)(-\frac{{\hbar}^2}{2m} \frac{d^2}{dx^2}+V(x))\psi(x)=E\psi(x).

Tato Schr. rce má spojité energetické spektrum pro E≥V0E\geq V_0 a diskrétní pro E<V0 E<V_0\ .

Hledáme vlnové funkce spojité, jednoznačné, konečné, se spojitými derivacemi v bodech skoku potenciálu.

Diskrétní spektrum

Vzhledem k symetrii se můžeme zabývat řešením pouze pro x≥0x\geq 0.

Řešíme tedy rovnice (d2dx2+k2)ψII=0 (\frac{d^2}{dx^2}+k^2)\psi_{II}=0 , kde k2=2mEℏ2k^2=\frac{2mE}{{\hbar}^2} pro 0≥x≥a20\geq x \geq \frac{a}{2} a (d2dx2−α2)ψIII=0 (\frac{d^2}{dx^2}-{\alpha}^2)\psi_{III}=0 , kde α2=2m(V0−E)ℏ2{\alpha}^2=\frac{2m(V_0-E)}{{\hbar}^2} pro x>a2x>\frac{a}{2}.

Sudá řešení

Bereme řešení ve tvaru ψII=Acos⁡(kx) \psi_{II}=A\cos(kx)\ a ψIII=Be−αx \psi_{III}=Be^{-\alpha x}\ , kde A A\ a B B\ jsou konstanty.

Ze spojitosti vlnové funkce a její první derivace dostáváme sešívací podmínky:

Acos⁡(ka2)=Be−aα2, Asin⁡(ka2)=Bαke−aα2A\cos(\frac{ka}{2})=Be^{-\frac{a\alpha}{2}},\ A\sin(\frac{ka}{2})=B\frac{\alpha}{k} e^{-\frac{a\alpha}{2}}.

Determinant soustavy musí být 0 (aby existovalo netriviální řešení): ktg⁡(ka2)=α=2mV0ℏ2−k2k \operatorname{tg}(\frac{ka}{2})=\alpha=\sqrt{\frac{2mV_0}{{\hbar}^2}-k^2}.

Neboli musí platit ka=2arctg⁡(2mV0ℏ2k2−1)+2πn ka=2 \operatorname{arctg}(\sqrt{\frac{2mV_0}{{\hbar}^2 k^2}-1})+2\pi n, kde n n\ je celé číslo.

Využitím arccos⁡(x)=arctg⁡(1−x2x)=arctg⁡(1x2−1), arcsin⁡(x)+arccos⁡(x)=π2 \arccos(x)=\operatorname{arctg}(\frac{\sqrt{1-x^2}}{x})=\operatorname{arctg}(\sqrt{\frac{1}{x^2}-1}),\ \arcsin(x)+\arccos(x)=\frac{\pi}{2}, dostaneme

2arctg⁡(2mV0ℏ2k2−1+2πn=2arccos⁡(ℏk2mV0)+2πn=−2arcsin⁡(ℏk2mV0)+(2n+1)π.2\operatorname{arctg}(\sqrt{\frac{2mV_0}{{\hbar}^2 k^2}-1}+2\pi n=2\arccos(\frac{\hbar k}{\sqrt{2mV_0}})+2\pi n=-2\arcsin(\frac{\hbar k}{\sqrt{2mV_0}})+(2n+1)\pi.

Možné hodnoty vlnového vektoru jsou 0≤k≤2mV0ℏ0 \leq k \leq \frac{\sqrt{2mV_0}}{\hbar} a tedy energie E=ℏ2k22m E=\frac{{\hbar}^2 k^2}{2m} jsou určeny (pro sudé vázané stavy) vztahem:

ka=(2n+1)π−2arcsin⁡(ℏk2mV0)ka=(2n+1)\pi-2\arcsin(\frac{\hbar k}{\sqrt{2mV_0}}).

graf reseni.jpg

Obrázek ukazuje grafické řešení rovnice. Je vidět, že i pro velmi úzkou a mělkou jámu existuje alespoň jedno řešení, tedy vždy existuje alespoň jeden sudý vázaný stav. S rostoucím a se přímka L=ka L=ka\ odchyluje od osy x x\ ; podobně se s rostoucím V0  V_0\ posunují křivky pravé strany rovnice doprava. Podle toho se pak objevují další řešení a počet vázaných stavů v diskrétním spektru energií roste. Celkový je sudých vázaných stavů konečně mnoho a aspoň jeden.

Lichá řešení

Analogicky se sudým řešením dostaneme ψII=Asin⁡(kx) \psi_{II}=A\sin(kx)\ a ψIII=Be−αx \psi_{III}=Be^{-\alpha x}\ ,

sešívací podmínky jsou

Asin⁡(ka2)=Be−aα2, Acos⁡(ka2)=−Bαke−aα2A\sin(\frac{ka}{2})=Be^{-\frac{a\alpha}{2}},\ A\cos(\frac{ka}{2})=-B\frac{\alpha}{k} e^{-\frac{a\alpha}{2}},

nulovost determinantu je určena kcotg⁡(ka2)=−α=−2mV0ℏ2−k2k \operatorname{cotg}(\frac{ka}{2})=-\alpha=-\sqrt{\frac{2mV_0}{{\hbar}^2}-k^2}.

Podobně tedy řešení pro liché stavy je dáno rovnicí ka=2nπ−2arcsin⁡(ℏk2mV0)ka=2n\pi-2\arcsin(\frac{\hbar k}{\sqrt{2mV_0}}). Narozdíl od sudých stavů řešení této rovnice nemusí existovat.

Celkově je energií konečně mnoho a existuje aspoň jedna. Vlnové funkce jsou střídavě sudé a liché a jsou nenulové i mimo potenciálovou jámu.

Spojité spektrum

Předpokládáme, že potenciální energie částice s energií E>0 E>0\ je V(x)=−V0 V(x)=-V_0\ pro −a2≤a2-\frac{a}{2}\leq \frac{a}{2} a V(x)=0 V(x)=0\ jinde, přičemž V0>0V_0>0.

konecna jama.jpg

Jak se částice pohybuje k jámě, může se od ní buď odrazit nebo oblastí jámy projít.

V oblasti I je vlnová funkce částice ψI=Aeik0x+Be−ik0x \psi_I=Ae^{ik_0x}+Be^{-ik_0x}\ , kde

k0=2mEℏ k_0=\frac{\sqrt{2mE}}{\hbar}\ , přičemž první část vlnové funkce odpovídá dopadající částici (vlně) a druhá část odpovídá částici (vlně) odrazěné od jámy.

V oblasti II bereme tvar ψII=αeikx+βe−ikx \psi_{II}=\alpha e^{ikx}+\beta e^{-ikx}\ , kde

k0=2m(E+V0)ℏ k_0=\frac{\sqrt{2m(E+V_0)}}{\hbar}\ .

V oblasti III je ψIII=Ceik0x \psi_{III}=Ce^{ik_0 x}\ .

Pravděpodobnost průchodu částice jámou se určí z poměru hustoty toku pravděpodobnosti pro prošlou částici k hustotě toku pravděp. pro dopadající částici. Odtud koeficient odrazu je R=∣BA∣2 R=|\frac{B}{A}|^2\ a koeficient průchodu je T=∣CA∣2 T=|\frac{C}{A}|^2\ , přičemž R+T=1 R+T=1\ .

Ze sešívacích podmínek v bodě x=a/2 x=a/2\ dostaneme

α=C2(1+k0k)ei(k0−k)b \alpha=\frac{C}{2}(1+\frac{k_0}{k})e^{i(k_0-k)b}\ ,

β=C2(1−k0k)ei(k0+k)b \beta=\frac{C}{2}(1-\frac{k_0}{k})e^{i(k_0+k)b}\ .

Ze sešívacích podmínek v x=−a/2 x=-a/2\ vyjádříme A A\ a B B\ , dosadíme α \alpha\ , β \beta\ a dostaneme A, BA,\ B vyjádřené pomocí C C\ .

Dosazením do vztahu pro T T\ dostaneme T=11+14(k0k−kk0)2sin2(ka)T=\frac{1}{1+\frac{1}{4}(\frac{k_0}{k}-\frac{k}{k_0})^2 sin^2(ka)}.

Koeficient odrazu je potom R=1−T R=1-T\ .

Pokud potenciálová jáma neexistuje (V0=0 V_0=0\ ), pak k=k0 k=k_0\ a koeficient průchodu je 1. (Pro hodně mělkou jámu se blíží 1.)

T T\ v závislosti na energii částice E E\ ukazuje obrázek.

T-E.jpg

Potenciálový val

Uvažujeme pravoúhlý potenciálový val o šířce a a\ a výšce V0 V_0\ . (taková konečná jáma postavená na hlavu)

val.jpg

Na něj dopadá částice o energii 0<E<V0 0<E<V_0\ , která se s určitou pravděpodobností buď odrazí, nebo projde.

Výsledky pro val dostaneme z výsledků pro jámu záměnou V0→−V0 V_0 \rightarrow -V_0\ a k→iκ k \rightarrow i\kappa\ .

Vlnový vektor κ \kappa\ je pak κ=2m(V0−E)ℏ>0 \kappa=\frac{\sqrt{2m(V_0-E)}}{\hbar}>0\ a je reálný.

Spolu se vztahem sin(iκa)=isinh(κa) sin(i\kappa a)=i sinh(\kappa a)\ máme vztah pro koeficient průchodu

T=11+14(k0κ+κk0)2sinh(κa)T=\frac{1}{1+\frac{1}{4}(\frac{k_0}{\kappa}+\frac{\kappa}{k_0})^2 sinh^(\kappa a)},

kde vlnový vektor k0=2mEℏk_0=\frac{\sqrt{2mE}}{\hbar} odpovídá pohybu volné částice.

Pro libovolně vysoký a široký val existuje určitá pravděpodobnost, že částice projde; s rostoucí šířkou valu a rostoucím rozdílem energií V0−E V_0-E\ tato pravděpodobnost exponencielně klesá. Pro makroskopické objekty a valy je pravděpodobnost průchodu mizivá.

Lineární harmonický oscilátor

Kvantová mechanika žije v Hilbertově prostoru (HP). Podle toho, jakou zvolíme bázi HP, mluvíme o určité representaci (pokud za bázi zvolímě vlastní vektory operátoru x^\hat x, mluvíme o x-representaci, pokud vlastní vektory operátoru p^\hat p, jde o p-representaci atd.). Některé úlohy jde ale řešit i bez konkrétní representace, tedy čistě abstraktně bez volby báze HP.

Hledáme energie LHO bez konkrétní representace, takže chceme najít spektrum (množinu vlastních čísel) operátoru H^\hat H. Hamiltonián LHO má tvar H^=p^22m+12mω2x2\hat H=\frac{{\hat p}^2}{2m}+\frac{1}{2}m{\omega}^2x^2.

Zavedeme operátor K^=12(P^2+X^2)\hat K=\frac{1}{2}({\hat P}^2+{\hat X}^2), kde X^\hat X, P^\hat P jsou bezrozměrné souřadnice, získané z normálních souřadnic X=mωℏx,P=1ℏmωpX=\sqrt{\frac{m\omega}{\hbar}}x, P=\frac{1}{\sqrt{\hbar m\omega}}p.

Pro komutátor x, px,\ p platí [x^,p^]=iℏ [\hat x, \hat p]=i\hbar a komutátor X, PX,\ P je [X^,P^]=i [\hat X, \hat P]=i.

V bezrozměrných souřadnicích a použitím operátoru K^\hat K má teď hamiltonián tvar H^=ℏωK^\hat H=\hbar\omega\hat K.

Zavedeme kreační a anihilační operátory a^=12(X^+iP^),a^+=12(X^−iP^)\hat a=\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat X+i\hat P), \hat a^+ = \frac{1}{\sqrt{2}}(\hat X-i\hat P). S jejich pomocí lze K přepsat jako K^=a^+a^+12\hat K=\hat a^+\hat a +\frac{1}{2}.

Využitím a^+a^=K^−12\hat a^+\hat a =\hat K-\frac{1}{2}, [a^,a^+]=1[\hat a,\hat a^+]=1 a K^∣n⟩=kn∣n⟩\hat K|n\rangle=k_n|n\rangle (kn k_n\ jsou vlastní čísla operátoru K^\hat K, ∣n⟩|n\rangle jsou jeho vlastní vektory):

K^(a^∣n⟩)=(a^+a^+12)a^∣n⟩=(a^a^+−12)a^∣n⟩=a^a^+a^∣n⟩−12a^∣n⟩=a^(K^−12)∣n⟩−12a^∣n⟩=a^(K^−1)∣n⟩=(kn−1)a^∣n⟩\hat K(\hat a|n\rangle)=(\hat a^+\hat a +\frac{1}{2})\hat a|n\rangle=(\hat a\hat a^+ -\frac{1}{2})\hat a|n\rangle=\hat a\hat a^+\hat a|n\rangle-\frac{1}{2}\hat a|n\rangle=\hat a(\hat K-\frac{1}{2})|n\rangle-\frac{1}{2}\hat a|n\rangle=\hat a(\hat K-1)|n\rangle=(k_n-1)\hat a|n\rangle

Působením operátoru a^\hat a tedy dostaneme vyšší stav, působením operátoru a^+\hat a^+ stav nižší.

Nelze však snižovat donekonečna, a redy existuje nejnižší stav, který se působením operátoru a^\hat a již nesníží (respektive dostaneme nulový vektor).

Z vlastností skalárního součinu ⟨n∣a^+a^∣n⟩=⟨a^n∣a^n⟩≤0\langle n|\hat a^+\hat a|n\rangle=\langle\hat a n|\hat a n\rangle\leq 0 a tedy ⟨n∣K^∣n⟩≤12\langle n|\hat K|n\rangle\leq \frac{1}{2}.

Tento nejnižší stav je základní, který se značí ∣0⟩|0\rangle, tedy a^∣nmin⟩=0=a^∣0⟩ \hat a|n_{min}\rangle=0 = \hat a|0\rangle a tedy ⟨0∣K^∣0⟩=12\langle 0|\hat K|0\rangle=\frac{1}{2}

Spektrum operátoru K^\hat K je kn=(n+12); n=1,2,…k_n=(n+\frac{1}{2});\ n=1,2,\dots a tedy spektrum hamiltoniánu je En=ℏω(n+12)E_n=\hbar\omega (n+\frac{1}{2}).

Z definičních vztahů pro a^+,a^\hat a^+,\hat a dostaneme tvar X^, P^\hat X,\ \hat P: X^=a2(a^+a^+), P^=a2(a^−a^+) \hat X=\frac{a}{\sqrt{2}}(\hat a +\hat a^+),\ \hat P=\frac{a}{\sqrt{2}}(\hat a -\hat a^+).

V energetické representaci (báze HP jsou vlastní vektory hamiltoniánu) mají matice a^,a^+\hat a, \hat a^+ tvar s čísly těsně nad nebo pod diagonálou, matice H^\hat H je diagonální s vlastními čísly (energiemi) na diagonále.

Harmonický oscilátor se dá samozřejmě řešit i v souřadnicové reprezentaci. Z asymptotického chování vlnové funkce vyplývá, že ψ(ξ)∼e−ξ2/2 \psi(\xi)\sim e^{-\xi^2/2}\ , kde ξ=mωℏx\xi=\sqrt{\frac{m\omega}{\hbar}}x. Řešení se pak hledá ve tvaru ψ(ξ)=P(ξ)e−ξ2/2 \psi(\xi)=P(\xi) e^{-\xi^2/2}\ , kde P(ξ) P(\xi)\ je řada ve tvaru P(ξ)=∑k=0∞akξkP(\xi)=\sum_{k=0}^{\infty}a_k\xi^k. Řěšením Schr. robnice vyjdou vztahy mezi koeficienty ak a_k\ a z požadavku na integrovatelnost vlnové funkce vyjde, že řada musí být konečná a kvantování energií. Vlnové funkce jsou nakonac dány pomocí Hermitových polynomů: ψn=Hn(ξ)e−ξ2/2 \psi_n=H_n(\xi)e^{-\xi^2/2}\ , kde Hn(ξ)=(−1)neξ2d2dξne−ξ2H_n(\xi)=(-1)^ne^{\xi^2}\frac{d^2}{d\xi^n}e^{-\xi^2}. Energie vyjdou stejně jako ve Fockově reprezentaci.

Vodíku podobný atom

Při řešení atomu vodíku bychom měli počítat s hamiltoniánem pro elektron a proton. Úloha jde ale rozseparovat na polohu těžiště a relativní vzdálenosti částic.

Proton je řádově tisíckrát těžší než elektron, takže počítáme se zafixovaným protonem, okolo kterého obíhá elektron (případně elektron s redukovanou hmotností).

Hamiltonián elektronu v coulombovském poli má tvar:

H^=p^22m−Ze′2r=−ℏ22mΔ−14πϵ0Ze2r\hat H=\frac{{\hat p}^2}{2m}-\frac{Ze'^2}{r}=-\frac{{\hbar}^2}{2m}\Delta-\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Ze^2}{r}

ve sférických souřadnicích pak H^=−ℏ22m[1r2∂∂r(r2∂∂r)+Δθ,ϕr2]−14πϵ0Ze2r\hat H=-\frac{{\hbar}^2}{2m}[\frac{1}{r^2}\frac{\partial}{\partial r}(r^2\frac{\partial}{\partial r})+\frac{\Delta_{\theta,\phi}}{r^2}]-\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Ze^2}{r}. Jelikož hamiltonián komutuje s L^2\hat L^2 i L^z\hat L_z, mají všechny tyto operátory společné vlastní funkce.

Hledáme vlnové funkce v separovaném tvaru ψ(r,θ,ϕ)=R(r)Ylm(θ,ϕ) \psi(r,\theta,\phi)=R(r)Y_{lm}(\theta,\phi)\ , kde R(r) R(r)\ je radiální část funkce a kulové funkce Ylm Y_{lm}\ jsou vlastní funkce operátorů L^2\hat L^2 a L^z\hat L_z,

L^2Ylm=ℏ2l(l+1)Ylm, l=0,1,2,..\hat L^2Y_{lm}={\hbar}^2l(l+1)Y_{lm},\ l=0,1,2,.. a L^zYlm=ℏmYlm, m=−l,..,l\hat L_z Y_{lm}=\hbar m Y_{lm},\ m=-l,..,l

Dosazením ψ \psi\ v separovaném tvaru do nečasové Schr. rovnice a z předposledního vztahu dostaneme

H^=−ℏ22m[1r2ddr(r2ddr)−l(l+1)r2]R−14πϵ0Ze2rR=ER\hat H= -\frac{{\hbar}^2}{2m} [\frac{1}{r^2}\frac{d}{dr}(r^2\frac{d}{dr})-\frac {l(l+1)}{r^2}]R-\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Ze^2}{r}R=ER

Řešením jsou tzv. Laguerrovy polynomy Rnl(ξ)=Nnle−ξ2ξlLn+l2l+1(ξ)R_{nl}(\xi)=N_{nl}e^{-\frac{\xi}{2}}{\xi}^l L^{2l+1}_{n+l}(\xi), kde ξ=2Zρn=2Zrna\xi=\frac{2Z\rho}{n}=\frac{2Zr}{na}.

Normovací koeficient Nnl=[(2Zna)3(n−l−1)!2n[(n+l)!]3]12N_{nl}={\left[\left(\frac{2Z}{na}\right)^3 \frac{(n-l-1)!}{2n[(n+l)!]^3}\right]}^{\frac{1}{2}}.

tvar R.jpg

tvar R II.jpg

Ve směru r r\ uplaňujeme okrajovou podmínku ψ→0\psi \rightarrow 0 pro r→∞r\rightarrow \infty, čímž získáme kvantování energií

En=−Z22n2e′2a0E_n=-\frac{Z^2}{2n^2}\frac{e'^2}{a_0}, n=1,2,…n=1,2,\dots, kde a0=ℏ2me′2a_0=\frac{{\hbar}^2}{me'^2} je Bohrův poloměr (vzdálenost, ve které obíhá elektron kolem protonu v základním stavu).

Ke každému n n\ přísluší stavy s kvantovými čísly l=0,1,…,(n−1)l=0,1,\dots,(n-1) (označované písmeny s,p,d,f,g,…s,p,d,f,g,\dots) a každý stav s daným l l\ může navíc nabývat hodnot m=−l,…,lm=-l,\dots,l. Každý stav je tedy n2 n^2\ -krát degenerovaný. Všechny ostatní atomy, ve kterých působí i elektron-elektronová interakce, "náhodnou degeneraci" (nezávislost energie na l l\ ), která je ve skutečnosti způsobena skrytou symetrií hamiltoniánu, nemají. Elektron v základním stavu atomu vodíku tedy obíhá okolo protonu ve vzdálenosti Bohrova poloměru a0≃53pma_0\simeq 53 pm a má energii 1 1\ Rydberg, tedy 13,605eV 13,605 eV\ . Tvar orbitalu určuje druhá mocnina příslušné kulové funkce.

orbitaly.jpg

orbitaly II.jpg

Při přechodech z excitovaných do nižších stavů může vyzářit fotony o energii Ei−Ef∼1nf2−1ni2E_i-E_f \sim \frac{1}{n_f^2}-\frac{1}{n_i^2}. Série přechodu na základní stav nf=1 n_f=1\ je Lymanova, na první excitovaný je Balmerova, na druhý excitovaný Pascheova, na třetí Bracketova a na čvtrý Pfundova. nf n_f\ , ni n_i\ jsou hlavní kvantová čísla.

spektrum.gif

En=−ℏRn2E_n=-\frac{\hbar R}{n^2} je energie dané elektronové slupky. S rostoucím n n\ roste i energie, pro n→∞n\rightarrow \infty jde En→0E_n\rightarrow 0. V tom případě je energie vazby příliš slabá na to, aby udržela elektron v obalu vodíku; elektron se pak stává volným, jeho energie přestane být kvantovaná a začne být spojitá (může nabýt libovolné hodnoty).

Stav, kdy n=1 n = 1\ s energií E1=−13,6eV E_1=-13,6 eV\ je základní stav vodíku. Energii 13,6eV 13,6 eV\ musíme atomu dodat, aby se ionizoval. Stavy s vyšší energií se nazývají excitované stavy a pro jejich ionizaci je potřeby nižší energie.