Chapter 2 物质波
2.1 物质波
德布罗意物质波假设
实物粒子具有波动性,自由运动的具有能量E,动量p的实物粒子所联系的波的频率和波长为:
λ=ph=mvh=m0vh1−c2v2ν=hE
若v<<c,可以忽略相对论效应,有
Ek=2mp2⟹p=2mEk⟹λ=ph=2meEkh
对于电子而言,可以得出
λ=2moeUh=U12.27A˚
如果考虑相对论效应,需要使用如下方法计算
- 使用相对论公式
{E=E0+EkE2=E02+p2c2
其中静能E0=m0c2,动能Ek=mc2−m0c2,总能量E=mc2
- 可以得到动量
(E0+Ek)2=E02+p2c2⟹p=c12E0Ek+Ek2=c1Ek2+2Ek⋅m0c2
- 从而求得波长
λ=ph=Ek2+2Ek⋅m0c2ch=(eU)2+2eU⋅m0c2ch
- 进一步分析:
- 如果Ek<<m0c2(非相对论情况)
λ=2Ekm0c2hc=2m0Ekh=2m0eUh
和忽略相对论效应得到的结果是一致的
2. 如果Ek>>m0c2(极端相对论情况)
λ=Ek2hc=Ekhc=eUhc
德布罗意驻波思想
![image-20240608170049038]()
如果电子在经典轨道上运动,它对应于一个环形驻波,满足
2πr=nλn=1,2,3⋯
代入λ=ph即可得到bohr量子化条件:
L=pr=n2πh,n=1,2,⋯,3,⋯
物质波的实验验证
布拉格方程
![image-20240608171944825]()
由布拉格方程,干涉极大为
σ=2dsinθ=kλk=1,2,3,⋯
电子波波长
λ=mvh=2meUh
故可以得出干涉极大的角度θ出现的位置如下
2dsinθ=kh2meU1
戴维孙-革末电子衍射实验
![image-20240608172116895]()
已知布拉格方程,有2dsin2θ=kλ
注意:布拉格方程中的晶面间距和在这个实验中使用的间距定义不同,在这个实验中,有以下几何关系
d=asin2ϕδ=2dcos2ϕ⟹δ=asinϕ
因此在该实验中,布拉格方程为
asinϕ=kλ
再由前面的德布罗意假设,可以代入λ=ph=2meEkh
然后再考虑实验中使用的晶体数据,可以得到以下结论
asinϕ=kh2emU1⟹sinϕ=0.777kk=1,2,3⋯
波函数及其统计解释
波函数
波函数的形式
Ψ(x,t)=Ψ0cos2π(vt−λx)
代入爱因斯坦-德布罗意关系,引入约化普朗克常量ℏ=2πh,可以得到
k=λ2π=ℏpω=2πν=ℏE
从而波函数可以表示为
Ψ(x,t)=Ψ0cos(λ2πx−ωt)=Ψ0ei(kx−ωt)=Ψ0eℏi(px−Et)
将波函数分离变量
Ψ(x,t)=Ψ0eℏipxe−ℏiEt=Φ(x)e−ℏiEt
得到定态波函数
Φ(x)=Ψ0eℏipx
波函数的统计解释
波函数的平方∣Ψ∣2代表了粒子在空间中某点出现的概率
利用复指数函数的运算法则,有
ρ=Ψ02=∣Ψ∣2=ΨΨ∗
波函数需要满足的标准性质
有限
单值
连续(做题常用!!!)
波函数的归一化条件
由于粒子必定要在空间中的某一点出现,所以任意时刻,在粒子在整个空间Ω的总概率应是1。这就是波函数的归一化条件。
ρ(r,t)dV=∣Ψ(r,t)∣2dV
∫Ωρ(r,t)dV=∫Ω∣Ψ(r,t)∣2dV=1
其中Ω为全空间
归一化时候的一些常用积分
∫−∞+∞e−x2dx=π∫−∞+∞e−ax2dx=aπΓ(n+1)=∫0∞xne−xdx=n!⟹∫0∞xne−axdx=an+1n!
2.2 不确定度关系
位置-动量不确定关系
⎩⎨⎧ΔxΔpx≥2ℏΔyΔpy≥2ℏΔzΔpz≥2ℏ
由上式易得以下推论:
⎩⎨⎧ΔxΔvx≥2mℏΔyΔvy≥2mℏΔzΔvz≥2mℏ
如果一列波的波长为λ,谱线宽度(精确度/波长不确定度)为Δλ,则其动量的不确定度为
Δpx=λ2hΔλ=λhλΔλ
能量-时间不确定关系
设光子沿x轴方向运动c=ΔtΔx
由位置-动量不确定关系,有
Δx⋅Δp≥2ℏ
又由光子的能量-动量关系p=cE
cΔt⋅Δ(cE)≥2ℏ⟹ΔEΔt≥2ℏ
ΔE表示粒子能量的不确定量,而Δt可表示粒子处于该能态的平均时间
2.3 薛定谔方程
自由粒子薛定谔方程
Ψ(x,t)=Aeℏi(px−Et)对时间t求导⟹∂t∂Ψ(x,t)=−ℏiEΨ(x,t)对x求二阶导⟹∂2x∂2Ψ(x,t)=−ℏ2px2Ψ(x,t)又E=2mp2⟹iℏ∂t∂Ψ(x,t)=−2mℏ2∂2x∂2Ψ(x,t)
该结论即为自由粒子的薛定谔方程
把自由粒子推广到非自由粒子,粒子所处势场为U(x),则有
E=2mp2+U(x)⟹iℏ∂t∂Ψ(x,t)=[−2mℏ2∂2x∂2+U(x)]Ψ(x,t)
推广到三维势场U(r,t)中,有
E=2mpx2+py2+pz2+U(r,t)⟹iℏ∂t∂Ψ(r,t)=(−2mℏ2(∂2x∂2+∂2y∂2+∂2z∂2)+U(r,t))Ψ(r,t)
引入梯度算符
∇=∂x∂i+∂y∂j+∂z∂k
上式可以表示为
iℏ∂t∂Ψ(r,t)=(−2mℏ2∇2+U(r,t))Ψ(r,t)
引入哈密顿算符(总能量算符)
H^=−2mℏ2∇2+U(r,t)
上式可以继续写为
iℏ∂t∂Ψ(r,t)=H^Ψ(r,t)
该式即为含时薛定谔方程
薛定谔方程针对的是非相对论粒子在势场中的状态随时间的变化
定态薛定谔方程
定态条件
若微观粒子处在稳定的势场中,则势能函数U与时间无关,称这类问题为定态问题。
H^=−2mℏ2∇2+U(r)
此时,哈密顿算符与时间无关,薛定谔方程可用分离变量法求解:波函数Ψ 可以分离为空间坐标
函数和时间函数的乘积。
iℏ∂t∂Ψ(r,t)=H^Ψ(r,t)setΨ(r,t)≡Φ(r)T(t)⟹iℏdtdT(t)Φ(r)=[H^Φ(r)]T(t)⟹iℏdtdT(t)T(t)1=Φ(r)1[H^Φ(r)]=const=E
可得只含变量t和只含变量r的两个方程
⎩⎨⎧iℏdtdT(t)=ET(t)H^Φ(r)=EΦ(r)(1)(2)
(1)是关于时间t的微分方程,解为
T(t)∝e−ℏiEt
为时间振动因子
(2)就是定态薛定谔方程,又称为哈密顿算符的本征方程。其解Φ(x,y,z)与粒子所处的外力场U和边界条件有关
[−2mℏ2∇2+U(r)]Φ(r)=EΦ(r)
波函数就是以上两部分的乘积
Ψ(r,t)=Φ(r)e−ℏiEt
可以发现,粒子出现在空间的概率与时间无关——定态
ρ(r,t)=∣Ψ(r,t)∣2=∣Φ(r)e−ℏiEt∣2=∣Φ(r)∣2
定态判据
定态判据,就是粒子出现在空间的概率与时间无关。更具体的说,就是
∣Ψ(r,t)∣2=Ψ(r,t)Ψ∗(r,t)
与时间无关!
求解定态问题的一般步骤
- 写出势函数,并列出定态薛定谔方程
- 如果势函数是分段的,需要写出每一段的定态薛定谔方程
- 根据波函数三个标准条件求解能量E的本征值问题
- 通过归一化确定归一化系数
一般波函数
Ψ(r,t)=n∑CnΨn(r,t)=n∑Cnψn(r)e−ℏiEnt
给定初始时刻状态Ψ(x,0),其中系数Cn可以使用下式计算
Cn=∫ψn∗(r)Ψ(r,0)dx
可以证明,一般波函数为含时间的薛定谔方程的解
如果Ψ(x,t)是归一化的波函数,则
n=1∑∞∣Cn2∣=1
如果Ψ(r,t)是已经归一化过的波函数,则处在波函数Ψn(r,t)描述的状态的概率为∣Cn∣2
概率密度与概率流
概率密度
ρ=Ψ∗Ψ
考虑在一有限体积V内发现粒子的概率随时间的变化率
dtd∫V∣Ψ∣2dV=∫V∂t∂(ΨΨ∗)dV=∫V(Ψ∗∂t∂Ψ+Ψ∂t∂Ψ∗)dV
对薛定谔方程取共轭,有
iℏ∂t∂Ψ=(−2mℏ2∇2+U(r))Ψ−iℏ∂t∂Ψ∗=(−2mℏ2∇2+U(r))Ψ∗
可以推出
dtd∫V∣Ψ∣2dV=2miℏ∫V(Ψ∗∇2Ψ−Ψ∇2Ψ∗)dV=2miℏ∫V∇(Ψ∗∇Ψ−Ψ∇Ψ∗)dV=2miℏ∮S(Ψ∗∇Ψ−Ψ∇Ψ∗)dS=−∮Sj⋅dS
故可以定义概率流矢量密度
j=2miℏ(Ψ∗∇Ψ−Ψ∇Ψ∗)
一维情况简化为
j=2miℏ(Ψ∗∂x∂Ψ−Ψ∂x∂Ψ∗)
然后得出**概率守恒:**在单位时间内在一有限体积 内发现粒子的概率的增量等于通过体积表面流入的概率。
该结论的积分形式
dtd∫VρdV=−∮Sj⋅dS
微分形式:
∂t∂ρ=−∇⋅J