Принцип и соотношения неопределённостей

С

1)

остояние движения материальной точки полностью определено, если знаем её положение и скорость. С частицами – все не так. Пусть электрон заключен между двух стенок. Сжимаем стенки.Если частица имеет строго определенную координату в пространстве, то ее положение локализовано. 1)степень локализации - наименьшая, 2)-наибольшая. Величину Δ

2)

x, характеризующую ширину волновых пакетов называют неопределённостью координаты x. Чем меньше неопределенность, тем точнее известна координата x.Точность, с которой известно положение частицы Δx зависит от ее состояния движения, а значит и от вида волновой функции. Аналогичны соображения и для импульса. Так как импульс связан с длиной волны соотношением де Бройля, степень определенности импульса зависит от определенности величины λ. Если длина волны плохо определена, то плохо определен и импульс. Чтобы говорить о длине волны, волновая функция должна иметь периодичность. Т.е. точность определения импульса зависит от волновой функции частицы, а значит, от состояния ее движения. На рисунке, что при уменьшении Δx, увеличивается Δp. Если увеличивается локализация частицы, т.е. уменьшается Δx , то растет неопределенность импульса - увеличивается Δp . И наоборот. Сам принцип: реальные состояния частиц таковы, что координата и импульс, связанные с одним и тем же направлением не могут быть одновременно точно определены. Зная Δx мы не можем узнать Δp.

Δx=nλ , => => =>

В общем случае пси может быть не синусоидой, тогда слагаемых ряда Фурье больше и Δp больше.

точное - . ΔE – неопределённость энергии состояния частицы, Δt –время жизни состояния частицы. .

31. Уравнение Шредингера. Квантово-механическое описание свободных частиц.

Основная идея Шрёдингера состоит в том, чтобы математическую аналогию между геометрической оптикой и классической механикой перенести на волновые свойства света и частиц.

Получим уравнение Шрёдингера из выражения для волновой функции свободного электрона . Перепишем его в комплексной форме .

Используя связи частоты с энергией, а волнового числа с импульсом, получаем: .

В общем случае – полная энергия частицы, , – кинетическая энергия и –энергия взаимодействия.

Найдем первую производную по и вторую по координате от ф-ции : (1), (2).

Домножим уравнение (1) на , а уравнение (2) на (таким образом множители в правых частях будут иметь размерность энергии):

, .

Сложим полученные уравнения:

.

Так как , то последнее равенство перепишется в виде .

Это и есть уравнение Шрёдингера. Оно получено для одной координаты . Если его переписать для 3 координат , то введя оператор Лапласа, окончательно будем иметь

.

Уравнение Шрёдингера нельзя непосредственно вывести из фундаментальных законов классической физики. Уравнение Шрёдингера позволяет находить волновую функцию в произвольный момент времени. Для этого надо знать волновую ф-цию в фиксированный момент времени, массу частицы и энергию взаимодействия частицы с силовым полем. Найденная волновая ф-ция дает возможность рассчитать вероятность нахождения частицы в произвольной точке пространства для любого момента времени.

Основные свойства, которым должны удовлетворять волновые функции – решения уравнения Шрёдингера:

1. Волновая функция линейна, т.е. если …- решения уравнения, то их линейная комбинация – решение.

2. Первые частные производные по координатам являются линейными

3. Волновая функция и её пространственные производные должны быть однозначными, конечными и непрерывными.

4. При стремлении к ∞ значение волновой функции должно стремиться к нулю.

Уравнение Шрёдингера для стационарных состояний.

Если силовое поле, в котором движется описываемая частица, стационарно, то потенциал его не зависит явно от времени, а функция имеет смысл потенциальной энергии и зависит только от координат . В этом случае волновую функцию можно представить как произведение двух. Одна функция зависит только от , другая – только от времени :

Подставим последнее выражение в уравнение Шрёдингера

.

После сокращения на временной множитель и некоторых элементарных преобразований получим: (*).

Это уравнение Шрёдингера для стационарных состояний. В него входит только координатная часть волновой ф-ции – . Если последняя будет найдена, то полная волновая ф-ция находится домножением координатной части на временной множитель .

Поскольку вероятность определяется квадратом волновой ф-ции, а квадрат комплексной величины находится умножением на комплексно сопряженную, то имеет место следующее соотношение для стационарных волновых функций:

.

Таким образом, чтобы найти волновую ф-цию для стационарных состояний, необходимо решить уравнение (*) и знать полную энергию .

Свободное движение частиц.

Во время свободного движения квантовой частицы никакие силы на нее не действуют и можно ее потенциальную энергию равной нулю. Пусть движение частицы происходит в направлении , тогда (*) принимает вид: .

Частным решением этого уравнения является ф-ции вида , где и – константы. Если подставить искомое решение в само уравнение, то мы получим связь энергии частицы и величины :

Полная волновая функция с учетом зависимости от времени для свободной частицы имеет вид . Это плоская монохроматическая волна с частотой и волновым числом . Так как , а , то .

Мы получили обычное выражение, связывающее кинетическую энергию и импульс нерелятивистской частицы. Величины и такой частицы ничем не ограничены, те свободная квантовая частица может иметь любое значение энергии и импульса. Вероятность обнаружения частицы в интервале координат определяется соотношением .

Величину, стоящую перед , будем называть плотностью вероятности .

Это означает равную вероятность обнаружения свободной частицы в любой точке направления , т.е. область движения вдоль « » у свободной частицы ничем не ограничена. Энергия частицы может быть любой, начиная с нуля, так как из уравнения Шрёдингера нет никаких ограничений на величину .