Chapter5 一维定态问题

Chapter5 一维定态问题

5-1 薛定谔方程一般性质

定态薛定谔方程

[−ℏ22md2dx2+U(x)]ψ(x)=Eψ(x)[- \dfrac{\hbar^2}{2m} \dfrac{d^2}{dx^2} + U(x)] \psi(x) = E \psi(x)

宇称

定义空间反演算符P^\hat{P}为

P^ψ(x)=ψ(−x)\hat{P}\psi(x) = \psi(-x)

如果波函数满足以下性质

P^ψ(x)=ψ(−x)=+ψ(x)\hat{P}\psi(x) = \psi(-x) = + \psi(x)

称波函数满足偶宇称

P^ψ(x)=ψ(−x)=−ψ(x)\hat{P}\psi(x) = \psi(-x) = - \psi(x)

称波函数满足奇宇称

没有以上性质,则波函数没有确定的宇称

对称势场与宇称

在一维势场中运动的粒子,若势能关于原点对称U(−x)=U(x)U(-x) = U(x),则能量本征波函数具有确定的宇称。(证明过程如下)

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例题

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定态薛定谔方程一般性质

  1. 本征值E为实数
  2. 如果势函数U(x)U(x)关于原点对称(反射不变性),若ψ(x)\psi(x)是能量本征方程属于能量本征值E的解,则ψ(−x)\psi(-x)​也是该方程怪同一能量本征值E的解

推论:当势函数U(x)U(x)具有反射不变性时,

  1. 对于无简并的能级,定态波函数必有确定的宇称
  2. 若能级有简并,则总能找到一组简并的定态波函数,其中每一个波函数都有确定的宇称

一维无限深势阱

推导过程

Step1:写出无限深势阱中的粒子的势函数

势函数

U(x)=0(0<x<a)U(x)=∞(x≤0,x≥a)U(x) = 0 \quad (0<x<a) \\ U(x) = \infty \quad (x \leq 0, x \geq a)

Step2:写出定态薛定谔方程

哈密顿量

H^=−ℏ22md2dx2+U(x)\hat{H} = - \dfrac{\hbar^2}{2m} \dfrac{d^2}{dx^2} + U(x)

定态薛定谔方程

H^Φ(x)=EΦ(x)\hat{H} \Phi(x) = E \Phi(x)

该方程的解

Ψ(x,t)=Φ(x)e−ihEt\Psi (x,t) = \Phi(x) e^{-\frac{i}{h}Et}

Step3:引入k,非别写出阱内和阱外的薛定谔方程

考虑阱内

−h22md2dx2Φ(x)=EΦ(x)- \dfrac{h^2}{2m} \dfrac{d^2}{dx^2} \Phi(x) = E \Phi(x)

令

k2=2mEℏ2k^2 = \dfrac{2mE}{\hbar^2}

有

E=(ℏk)22mp=ℏkk=2πλE = \dfrac{(\hbar k)^2}{2m} \quad p = \hbar k \quad k = \dfrac{2\pi}{\lambda}

得

Φ′′(x)+k2Φ(x)=0\Phi''(x) + k^2 \Phi(x) = 0

考虑阱外

(−h22md2dx2+∞)Φ(x)=EΦ(x)(- \dfrac{h^2}{2m} \dfrac{d^2}{dx^2} + \infty) \Phi(x) = E \Phi(x)

Step4: 分区求通解

阱内的解

Φ(x)=Acos⁡kx+Bsin⁡kx,0≤x≤L\Phi(x) = A \cos kx + B \sin kx, 0 \leq x \leq L

其中A和B为待定常数

阱外的解

Φ(x)=0\Phi(x) = 0

Step5:由波函数单值,连续及归一化条件定特解

阱外波函数为0,波函数要连续,所以波函数0点处,a点处的值为0

Φ(0)=0  ⟹  A=0  ⟹  Φ(x)=Bsin⁡kx\Phi(0) = 0 \implies A = 0 \implies \Phi(x) = B \sin kx

Φ(a)=0  ⟹  sin⁡ka=0(B≠0)  ⟹  ka=nπ(B≠0)  ⟹  k=nπa,n=1,2,3,⋯\Phi(a) = 0 \implies \sin ka = 0 \quad (B \neq 0) \\ \implies ka =n \pi \quad (B \neq 0) \implies k = \dfrac{n \pi}{a}, n=1,2,3,\cdots

利用归一化条件

∫0a∣Ψ(x,t)∣2dx=∫0a∣Φ(x)∣2dx=∫0aB2sin⁡2nπxadx=∫0aB21−cos⁡2nπxa2dx=1\int_0^a \lvert \Psi(x,t) \rvert^2 dx = \int_0^a \lvert \Phi(x) \rvert^2 dx = \int_0^a B^2 \sin^2 \dfrac{n \pi x}{a} dx =\int_0^a B^2\dfrac{1-\cos \dfrac{2n\pi x}{a}}{2}dx = 1

  ⟹  a2B2=1  ⟹  B=2a\implies \dfrac{a}{2}B^2 = 1 \implies B = \sqrt{\dfrac{2}{a}}

结论

定态波函数为

Φ(x)={2asin⁡nπax0≤x≤a0x<0,x>a\Phi(x) = \begin{cases} \sqrt{\dfrac{2}{a}} \sin \dfrac{n \pi}{a}x & 0 \leq x \leq a \\ 0 & x<0,x>a \end{cases}

粒子分布的概率密度为

ρ(x)=∣Φ(x)∣2={2asin⁡2(nπax)0≤x≤a0x<0,x>a\rho(x) = \lvert \Phi(x) \rvert^2 = \begin{cases} \dfrac{2}{a} \sin^2 (\dfrac{n \pi}{a}x) & 0 \leq x \leq a \\ 0 & x<0,x>a \end{cases}

根据

k2=2mEℏ2k=nπak^2 = \dfrac{2mE}{\hbar^2} \quad k=\dfrac{n \pi}{a}

可得能量本征值,动量和波长

En=π2ℏ22ma2n2=n2E1n=1,2,3⋯pn=±2mEn=±nπℏa=±nh2aλn=h∣pn∣=2anE_n = \dfrac{\pi^2 \hbar^2}{2ma^2} n^2 = n^2 E_1 \quad n=1,2,3\cdots \\ p_n = \pm \sqrt{2m E_n} = \pm n\dfrac{\pi \hbar}{a} = \pm n \dfrac{h}{2a} \\ \lambda_n = \dfrac{h}{\lvert p_n \rvert} = \dfrac{2a}{n}

  1. 能量取分立值(能级),即能量量子化

    En∝n2ΔE=En+1−En=(2n+1)π2ℏ22ma2=(2n+1)E1E_n \propto n^2 \quad \Delta E = E_{n+1} - E_n = (2n+1) \dfrac{\pi^2 \hbar^2}{2ma^2} = (2n+1)E_1

      ⟹  n↑ΔE↑L↑ΔE↓m↑ΔE↓\implies n \uparrow \Delta E \uparrow \quad L \uparrow \Delta E \downarrow \quad m \uparrow \Delta E \downarrow

    • 能级增大 , 能级间隔递增
    • 阱变宽,能级间隔下降
    • 大质量粒子的能级间隔小
  2. 当a→∞a \to \infty时,量子化变成了连续

  3. 最低能量(零点能)

    E1=π2ℏ22ma2>0E_1 = \dfrac{\pi^2 \hbar^2}{2ma^2} > 0

    粒子不可能静止,波动性

  4. 阱中形成驻波

    Ψ(x,t)=Φ(x)e−iℏEt=12i2a(eikx−e−ikx)e−iℏEt\Psi (x,t) = \Phi(x) e^{-\frac{i}{\hbar}Et} = \dfrac{1}{2i} \sqrt{\dfrac{2}{a}}(e^{ikx} - e^{-ikx}) e^{-\frac{i}{\hbar}Et}

    又由前面的结论可推出k=pℏk = \dfrac{p}{\hbar}

    故波函数

    Ψ(x,t)=12i2a(eipnℏx−e−ipnℏx)e−iℏEt=12i2a(e−iℏ(Et−pnx)−e−iℏ(Et+pnx))\Psi (x,t) = \dfrac{1}{2i} \sqrt{\dfrac{2}{a}}(e^{i\frac{p_n}{\hbar}x} - e^{-i\frac{p_n}{\hbar}x}) e^{-\frac{i}{\hbar}Et} = \dfrac{1}{2i} \sqrt{\dfrac{2}{a}}(e^{-\frac{i}{\hbar}(Et-p_nx)} - e^{-\frac{i}{\hbar}(Et+p_nx)})

    • 波函数为频率相同、波长相同、传播方向相反的两单色平面波的叠加

    • 波函数为驻波形式,阱壁处为波节,波腹的个数(最可几位置个数)与量子数n相等。

      • 由此结论可以很容易画出势阱内波函数的图像(如下图)
    • 最可几位置的求法:

      • 找极值,先求导找导数为0的点
      • 然后可以代入波函数,排除掉所有代入以后得到波函数为0的点
      • 也可以画出图像,结合图像中的相对位置判断。
    • 波节(节点)个数:

      • 基态除x=0,x=Lx = 0,x=L以外无节点
      • 第k激发态除x=0,x=Lx = 0,x=L以外有k=n−1k = n-1个节点

    image-20240610143618126

一维无限深势阱中粒子波函数是正交归一的

  1. 不同本征值的波函数彼此正交(证明如图)

    image-20240610144654066

  2. 本征波函数构成完备集,即任意波函数可表示为

    Ψ(x)=∑n=1∞cnΦn(x)=2a∑n=1∞cnsin(nπax)cn=2a∫0asin(nπax)Ψ(x)dx\Psi(x) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n \Phi_n(x) = \sqrt{\dfrac{2}{a}} \sum_{n=1}^{\infty} c_n sin(\dfrac{n\pi}{a}x) \\ c_n = \sqrt{\dfrac{2}{a}} \int_0^a sin(\dfrac{n\pi}{a}x) \Psi(x) dx

将解扩展到一般波函数

Ψ(x,t)=∑n=1∞cnΨn(x,t)=∑n=1∞cnΦn(x)e−iℏEnt=2a∑ncnsin(nπax)e−iℏEnt\Psi(x,t) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n \Psi_n(x,t) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n \Phi_n(x)e^{-\frac{i}{\hbar}E_nt} \\ = \sqrt{\dfrac{2}{a}} \sum_{n} c_n sin(\dfrac{n\pi}{a}x)e^{-\frac{i}{\hbar}E_nt}

其中

cn=∫Φn∗(r⃗)Ψ(x,0)dxc_n = \int \Phi_n^*(\vec{r})\Psi(x,0) dx

一维有限深势阱

Step1:写出势函数

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V(x)={V0∣x∣>a0∣x∣<aV(x) = \begin{cases} V_0 & \lvert x \rvert > a \\ 0 & \lvert x \rvert < a \end{cases}

Step2:写出定态薛定谔方程

d2ψdx2+2mEℏ2ψ=0,∣x∣<ad2ψdx2+2mℏ2(E−V0)ψ=0,∣x∣>a\dfrac{d^2 \psi}{dx^2} + \dfrac{2mE}{\hbar^2} \psi = 0 ,\quad \lvert x \rvert < a \\ \dfrac{d^2 \psi}{dx^2} + \dfrac{2m}{\hbar^2}(E - V_0)\psi = 0 , \quad \lvert x \rvert > a

Step3:引入k和k’,写出阱内和阱外情况

set k2=2mEℏ2k′2=2m(U0−E)ℏ2{ψ′′+k2ψ2=0∣x∣<aψ′′−α2ψ=0∣x∣>aset \, k^2 = \dfrac{2mE}{\hbar^2} \quad k'^2 = \dfrac{2m(U_0 - E)}{\hbar^2} \\ \begin{cases} \psi'' + k^2 \psi_2 = 0 & \lvert x \rvert < a \\ \psi'' - \alpha^2 \psi = 0 & \lvert x \rvert > a \end{cases}

Step4: 分区求通解

ψ(x)={Asin(kx+δ)∣x∣<a(Ψ2)Be−k′x+Cek′x∣x∣>a(Ψ1,3)\psi(x) = \begin{cases} A sin(kx+\delta) & \lvert x \rvert < a & (\Psi_2) \\ B e^{ -k' x} + C e^{k' x} & \lvert x \rvert > a & (\Psi_{1,3}) \end{cases}

Step5:通过束缚态、连续及归一化条件,求系数

对于束缚态,无穷远处粒子出现的概率为0,波函数为0,故

Ψ1(−∞)=0Ψ3(+∞)=0  ⟹  {Ψ3=Be−k′xx>aΨ1=Cek′xx<−a\Psi_1(-\infty) = 0\quad \Psi_3(+\infty) = 0 \\ \implies \begin{cases} \Psi_3 = Be^{-k'x} & x>a \\ \Psi_1 = Ce^{k'x} & x<-a \end{cases}

由x=ax=a​​处波函数及其导数连续可得

{Asin⁡(ka+δ)=Be−k′akAcos⁡(ka+δ)=−k′Be−k′a  ⟹  kcot⁡(ka+δ)=−k′\begin{cases} A \sin (ka+ \delta) = Be^{-k'a} \\ kA \cos (ka+ \delta) = -k'Be^{-k'a} \end{cases} \implies k\cot(ka+\delta) = -k'

由x=−ax=-a处波函数及其导数连续可得

{Asin⁡(−ka+δ)=Ce−k′akAcos⁡(−ka+δ)=−k′Ce−k′a  ⟹  kcot⁡(−ka+δ)=k′\begin{cases} A \sin (-ka+ \delta) = Ce^{-k'a} \\ kA \cos (-ka+ \delta) = -k'Ce^{-k'a} \end{cases} \implies k\cot(-ka+\delta) = k'

由以上两个式子,可以得到

cot⁡(ka+δ)=−cot⁡(−ka+δ)  ⟹  δ={nπ(n+12)π\cot(ka+\delta) = -\cot(-ka + \delta) \implies \delta = \begin{cases} n \pi \\ (n+\dfrac{1}{2}) \pi \end{cases}

只取n=0n=0即可,其他n值并不会产生新结果

δ=0 or π2\delta = 0 \, or \, \dfrac{\pi}{2}

  1. 取δ=0\delta = 0

    由x=ax=a和x=−ax=-a处的连续性条件,可推出B=−CB = -C​

    ψA(x)={Asin(kx)∣x∣<aBe−k′xx>a−Bek′xx<−a\psi_A(x) = \begin{cases} A sin(kx) & \lvert x \rvert < a \\ B e^{ -k' x} & x > a \\ - B e^{k' x} & x < -a \end{cases}

    满足奇宇称

    ψA(−x)=−ψA(x)\psi_A(-x) = - \psi_A(x)

  2. 取δ=π2\delta = \dfrac{\pi}{2}

    ψS(x)={Asin(kx)∣x∣<aBe−k′xx>a−Bek′xx<−a\psi_S(x) = \begin{cases} A sin(kx) & \lvert x \rvert < a \\ B e^{ -k' x} & x > a \\ - B e^{k' x} & x < -a \end{cases}

    满足偶宇称

    ψS(−x)=ψS(x)\psi_S(-x) = \psi_S(x)

能量本征值

  1. 奇宇称(δ=0\delta = 0)

    方程

    kcot⁡ka=−k′k \cot ka = - k'

    本征值可由该方程解出,但是该方程没有解析解,可用作图法求出数值解

    令

    u=ka,v=k′au = ka , v=k'a

    以上方程可以化为

    ucot⁡u=−vu2+v2=(k2+k′2)a2=2mV0ℏ2a2u \cot u = -v \\ u^2 + v^2 = (k^2 + k'^2) a^2 = \dfrac{2mV_0}{\hbar^2}a^2

    方程的解即为这两个曲线的交点

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​ 能量本征值

u=ka=2mEaℏ  ⟹  E=ℏ2u22ma2u = ka = \sqrt{2mE}\dfrac{a}{\hbar} \implies E = \dfrac{\hbar^2 u^2}{2ma^2}

  1. 偶宇称

    ktan⁡ka=k′k \tan ka = k'

    本征值可由该方程解出,但是该方程没有解析解,可用作图法求出数值解

    令

    u=ka,v=k′au = ka , v=k'a

    以上方程可以化为

    utan⁡u=vu2+v2=(k2+k′2)a2=2mV0ℏ2a2u \tan u = v \\ u^2 + v^2 = (k^2 + k'^2) a^2 = \dfrac{2mV_0}{\hbar^2}a^2

    方程的解即为这两个曲线的交点

    image-20240610164923139

    能量本征值

    u=ka=2mEaℏ  ⟹  E=ℏ2u22ma2u = ka = \sqrt{2mE}\dfrac{a}{\hbar} \implies E = \dfrac{\hbar^2 u^2}{2ma^2}

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数学工具

sinh⁡x=ex−e−x2cosh⁡x=ex+e−x2\sinh x = \dfrac{e^{x} - e^{-x}}{2} \quad \cosh x = \dfrac{e^x + e^{-x}}{2}

一维方势垒

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势函数

U(x)={0x<0U0x>0(E<U0)U(x) = \begin{cases} 0 & x<0 \\ U_0 & x>0 \end{cases} \quad(E<U_0)

定态薛定谔方程

{−ℏ22md2ψdx2=EψI,III−ℏ22md2ψdx2+U0ψ=EψII\begin{cases} -\dfrac{\hbar^2}{2m} \dfrac{d^2 \psi}{dx^2} = E\psi & I,III \\ -\dfrac{\hbar^2}{2m} \dfrac{d^2 \psi}{dx^2} + U_0 \psi = E\psi & II \end{cases}

设k值,分区列方程

set k12=2mEℏ2k22=2m(U0−E)ℏ2>0set \, k_1^2 = \dfrac{2mE}{\hbar^2} \quad k_2^2 = \dfrac{2m(U_0-E)}{\hbar^2} > 0

{d2ψdx2+k12ψ=0I,IIId2ψdx2−k22ψ=0II\begin{cases} \dfrac{d^2 \psi}{dx^2} + k_1^2 \psi = 0 & I,III \\ \dfrac{d^2 \psi}{dx^2} - k_2^2 \psi = 0 & II \end{cases}

分区求通解

{Φ1(x)=A1eik1x+B1e−ik1xΦ2(x)=A2eik2x+B2e−ik2xΦ3(x)=A3eik1x\begin{cases} \Phi_1(x) = A_1e^{ik_1x} + B_1e^{-ik_1x}\\ \Phi_2(x) = A_2e^{ik_2x} + B_2e^{-ik_2x} \\ \Phi_3(x) = A_3e^{ik_1x} \end{cases}

  • Φ1(x)\Phi_1(x)两项分别代表入射波和反射波
  • Φ2(x)\Phi_2(x)为势垒中的衰减波
  • Φ3(x)\Phi_3(x)由于III区域只有透射波,不会有反射波,所以只有一项

代入连续性,得到一些结论(没有定解)

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概率流密度

使用概率流公式

j⃗=iℏ2m(Ψ∗∂∂xΨ−Ψ∂∂xΨ∗)  ⟹  {j=ℏk1m∣A1∣2入射概率流密度jT=ℏk1m∣A3∣2透射概率流密度jR=−ℏk1m∣B1∣2反射概率流密度\vec{j} = \dfrac{i\hbar}{2m}(\Psi^* \dfrac{\partial}{\partial x} \Psi - \Psi \dfrac{\partial}{\partial x}\Psi^*) \\ \implies \begin{cases} j = \dfrac{\hbar k_1}{m}\lvert A_1 \rvert^2 & \text{入射概率流密度}\\ j_{T} = \dfrac{\hbar k_1}{m}\lvert A_3 \rvert^2 & \text{透射概率流密度}\\ j_{R} = - \dfrac{\hbar k_1}{m}\lvert B_1 \rvert^2 & \text{反射概率流密度} \end{cases}

给个中间结论

j⃗=ℏk1m∣A∣2\vec{j} = \dfrac{\hbar k_1}{m} \lvert A \rvert^2

透射系数和反射系数

为了定量描述入射粒子透射势垒的概率和被势垒反射的概率,定义透射系数和反射系数。

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一些讨论:

  • 显然粒子数守恒,并且可以进一步推出概率守恒

    T+R=1  ⟹  ∣B1∣2+∣A32∣=∣A1∣2T + R = 1 \implies \lvert B_1 \rvert^2 + \lvert A_3^2 \rvert = \lvert A_1 \rvert^2

  • 即使E>U0E > U_0,粒子也并非全部透射进入iii区,仍然一定概率被反射回i区

  • E<U0E < U_0时,仍然有T≠0T \neq 0​,说明虽然粒子总能量小于势垒高度, 入射粒子仍可能穿过势垒进入 III 区,这就是隧道效应

一维谐振子(抛物线势阱)

ω=km\omega = \sqrt{\dfrac{k}{m}}

定态薛定谔方程

(−ℏ22md2dx2+12mω2x2)Φ(x)=EΦ(x)(-\dfrac{\hbar^2}{2m}\dfrac{d^2}{dx^2} + \dfrac{1}{2}m\omega^2x^2)\Phi(x) = E \Phi(x)

结论

这东西反正不可能考你怎么去解的,记一些结论就好

谐振子能量(本征值)

En=(n+12)ℏω,n=0,1,2,⋯E_n = (n+\dfrac{1}{2})\hbar \omega,n=0,1,2,\cdots

  • 能量间隔是均匀的

    ΔEn=ℏω\Delta E_n = \hbar \omega

  • 最低能量(零点能)不为零

    E0=12ℏω≠0E_0 = \dfrac{1}{2} \hbar \omega \neq 0

谐振子波函数(本征函数)

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  • 谐振子的波函数也是正交归一的

  • 处在特定状态时,量子粒子位置概率密度

    ρ=∣Φn(x)∣2\rho = \lvert \Phi_n(x) \rvert^2

可能出现的问题

  • 势能的平均值求法

    U‾=12mω2x2‾\overline{U} = \dfrac{1}{2}m\omega^2\overline{x^2}

  • 动能的平均值求法

    • 和前面用过无数次的力学量平均值求法是一样的
  • 在经典界限外被发现的概率

    • 经典界限:Φn(x)\Phi_n(x)对应的态对应的经典界限aa的位置为

      En=(n+12)ℏω=12mω2a2  ⟹  a=(2n+1)ℏmωE_n = (n+\dfrac{1}{2})\hbar \omega = \dfrac{1}{2}m\omega^2 a^2 \\ \implies a = \sqrt{\dfrac{(2n+1)\hbar}{m\omega}}

    • 求概率:常规操作

      • 反过来求(求界限内的概率)方便一点
      • 对在界限内的∣Φn(x)∣2\lvert \Phi_n(x) \rvert^2积分就好,

      1−∫−aa∣Φn(x)∣2dx1-\int_{-a}^{a} \lvert \Phi_n(x) \rvert^2 dx

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