- •Задача № 1.
- •Задача № 2.
- •Задача № 3.
- •Задача № 4.
- •Задача № 5.
- •Задача № 6.
- •Задача № 7.
- •Задача № 8.
- •Задача № 9.
- •Задача № 10.
- •Задача № 11.
- •Задача № 12.
- •Задача № 13.
- •Задача № 14.
- •Задача № 15.
- •Задача № 16.
- •Задача № 17.
- •Задача № 18.
- •Задача № 19.
- •Задача № 20.
- •Задача № 21.
- •Задача № 22.
- •Задача № 23.
- •Задача № 24.
- •Задача № 25.
- •Задача № 26.
- •Задача № 27.
- •Задача № 28.
- •Задача № 29.
- •Задача № 30.
- •Задача № 31.
- •Задача № 32.
- •Задача № 33.
- •Задача № 34.
- •Задача № 35.
- •Задача № 36.
- •Задача № 37.
- •Задача № 38.
- •Задача № 39.
- •Задача № 41.
- •Задача № 42.
- •Задача № 43.
- •Задача № 44.
- •Задача № 45.
- •Задача № 46.
- •Задача № 47.
- •Задача № 48.
- •Задача № 49.
- •Задача № 50.
- •Задача № 51.
Задача № 45.
Частица массой находится в одномерной потенциальной яме с непроницаемыми стенками во втором возбуждённом состоянии. Найдите среднее значение кинетической энергии частицы , если ширина ямы равна .
Решение:
Вид потенциальной ямы представлен на рисунке 1:
Рисунок 23
Составим уравнение Шредингера для области :
(1)
или в виде:
(2)
где . Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:
(3)
Используем естественные условия, накладываемые на пси-функцию. Так как в области потенциальная энергия равняется бесконечности, то частица находиться в области не может. Следовательно, плотность вероятности, а, значит, и пси-функция в области равны нулю. Из условия непрерывности пси-функции для точки получим:
Аналогично, из условия непрерывности пси-функции для точки получим:
Тогда пси-функции собственных состояний частицы в данной потенциальной яме имеют вид:
(4)
Учитывая, что , получим:
(5)
Мы получили энергетический спектр частицы в потенциальной яме. Определим постоянную в выражении для пси-функции (4), используя условие нормировки:
(6)
Тогда пси-функции собственных состояний имеют следующий вид:
(7)
Во втором возбуждённом состоянии (так как - это основное состояние, - первое возбуждённое), поэтому пси-функция второго возбуждённого состояния имеет вид:
(8)
Из постулатов квантовой механики среднее значение какой-нибудь физической величины в состоянии, описываемом пси-функцией , определяется следующим образом:
(9)
где - оператор физической величины , а - функция, сопряжённая к пси-функции . Операторы проекций импульса на координатные оси x,y,z имеют вид:
(10)
Формулы, связывающие физические величины в классической физике, в квантовой физике справедливы для операторов этих физических величин. Поэтому мы можем записать:
(11)
Операторы квадрата импульса и кинетической энергии связаны выражением:
(12)
В нашем одномерном случае оператор кинетической энергии имеет вид:
(13)
Тогда среднее значение кинетической энергии во втором возбуждённом состоянии определяется выражением:
(14)
Ответ:
.
Задача № 46.
Возможные значения проекции момента импульса на произвольную ось равны , где . Считая, что эти проекции равновероятны и оси равноправны, покажите, что в состоянии с определённым значением среднее значение квадрата момента импульса .
Решение:
Формулы, связывающие физические величины в классической физике, в квантовой физике справедливы для средних значений. Следовательно, среднее значение квадрата момента импульса равняется сумме средних значений квадратов проекций момента импульса на все координатные оси:
(1)
Так как мы предполагаем все координатные оси равноправными, то , поэтому выражение (1) можно переписать:
(2)
Проекция момента импульса на произвольную ось z при определённом значении может принимать значений:
(3)
где . Считая, что эти проекции равновероятные найдём среднее значение квадрата проекции момента импульса:
(4)
Подставив это выражение для в выражение (2), получим, что среднее значение квадрата момента импульса равняется:
(5)
Ответ:
.