一维无限势阱

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163一维势阱和势垒问题

163一维势阱和势垒问题
mn
0,
mn mn
克罗内克符号
二、势垒穿透和隧道效应
有限高的方形势垒
数学形式:
U
(
x)
0,
U 0 ,
图形形式:
x 0(P区),x a(S区) 0 x a(Q区)
U
考虑粒子的动能 E小于势垒高
U0
度 U0的情况。( E < U0 )
E
PQ S
o ax
U (x) 0, x 0和x a
1
(0 x a)
(x 0及x a)
2
势阱内 0 < x < a
d 2 1
dx2
2E
2
1
0
势阱外 x ≤ 0 ;x ≥a
2 0
理由:因为势壁无限高,所以粒子不能穿透势壁,故势 阱外的 波函数为零
定态薛定谔方程为
d 2
d x2
2E
2
0
E是粒子的总能量,E > 0,令 k
定态薛定谔方程变为
d 2
一维无限深方势阱的图形表达形式 :
∞∞
U(x)
粒子只能在宽为 a 的两个无限 高势壁间运动,这种势称为一 维无限深方势阱。
0
ax
因为系统的势能与时间无关,因此这是一个定 态问题,可以用定态薛定谔方程进行求解。
2
2
2
U
(r)
(r )
E
(r )
————定态薛定谔方程
①列出各区域的定态薛定谔方程
若在样品与针尖之间
加一微小电压Ub电子 就会穿过电极间的势
垒形成隧道电流。
隧道电流对针尖与样品间的距离十分敏感。 若控制隧道电流不变,则探针在垂直于样品 方向上的高度变化就能反映样品表面的起伏。

一维无限深势阱

一维无限深势阱

6.ξ一维无限深势阱考虑一维空间中运动的粒子,它的势能在一定区域内:0,,x x a U x a⎧<⎪=⎨∞≥⎪⎩ 如右图这种势叫一维无限深势阱因x U 不含 t ,属于定态问题。

体系所满足的定态薛定谔方程是:()2222d E x a dx ψψμ-=<① ()22022d U E x a dx ψψψμ-+=≥② ②中,0U →∞由波函数应满足的连续性和有限性条件,只有当ψ=0时,②式才能成立,所以,有:ψ=0,x a ≥现求解①式,改写为:2221222222020sin cos ,d E dxE d x a dx A x B x x aψψμψμααψψαα+=⎛⎫=+=< ⎪⎝⎭=+<令:则:,其解为: (本身上方说的解可表为如下振荡函数形式:sin x α,cos ,i x x e αα±,但因现在势阱具有空间反射不变性,()()x x U U -=能量本征函数必定有确定的宇称曾书——P49——所以,只能取sin x α,或cos x α的形式。

根据ψ的连续性,因②式得ψ=0,x a ≥,于是:,sin cos 0sin cos 0sin 0cos 0x a A a B a x a a B a a B a αααααα=+==-+===时时,A 两式相减,得:A 两式相加,得: 因A,B 不能同时为0,否则,sin cos A x B x ψαα=+处也为0,这在物理上无意义。

(物理问题对ψ的要求)所以,得到两组解:⑴0,cos 0A a α== ⑵0,sin 0A a α==对第⑴组解,有,1,3,5.......2n a n απ==对第⑵组解有:,2,4,6 (2)n a n απ== 合并,即有:,1,2,3,4,5 (2)n a n απ==其中对⑴组,n 取奇数,对第⑵组n 取偶数,注意,n 不能取0,否则ψ=0,将2n a απ=代回1222E μα⎛⎫= ⎪⎝⎭,得体系的能量本征值为:2222,8n n E n a πμ=为整数这说明,并非任何E 值所相应的波函数都能满足本问题所要求的边条件,而只能取上式给出的那些分立值n E ,此时的波函数在物理上才是可接受的。

一维无限深势阱的能量

一维无限深势阱的能量

一维无限深方势阱的能量班级:姓名:学号:一维无限深方势阱的能量一、 引言:222220202()d E x d m dx d U x E x d ψ⎧-ψ=ψ<<⎪⎪⎨⎪-ψ+=ψ≥⎪ (1) (2)9/10m-020406080100120140160文案编辑词条B 添加义项?文案,原指放书的桌子,后来指在桌子上写字的人。

现在指的是公司或企业中从事文字工作的职位,就是以文字来表现已经制定的创意策略。

文案它不同于设计师用画面或其他手段的表现手法,它是一个与广告创意先后相继的表现的过程、发展的过程、深化的过程,多存在于广告公司,企业宣传,新闻策划等。

基本信息中文名称文案外文名称Copy目录1发展历程2主要工作3分类构成4基本要求5工作范围6文案写法7实际应用折叠编辑本段发展历程汉字"文案"(wén àn)是指古代官衙中掌管档案、负责起草文书的幕友,亦指官署中的公文、书信等;在现代,文案的称呼主要用在商业领域,其意义与中国古代所说的文案是有区别的。

在中国古代,文案亦作" 文按"。

公文案卷。

《北堂书钞》卷六八引《汉杂事》:"先是公府掾多不视事,但以文案为务。

"《晋书·桓温传》:"机务不可停废,常行文按宜为限日。

" 唐戴叔伦《答崔载华》诗:"文案日成堆,愁眉拽不开。

"《资治通鉴·晋孝武帝太元十四年》:"诸曹皆得良吏以掌文按。

"《花月痕》第五一回:" 荷生觉得自己是替他掌文案。

"旧时衙门里草拟文牍、掌管档案的幕僚,其地位比一般属吏高。

《老残游记》第四回:"像你老这样抚台央出文案老爷来请进去谈谈,这面子有多大!"夏衍《秋瑾传》序幕:"将这阮财富带回衙门去,要文案给他补一份状子。

"文案音译文案英文:copywriter、copy、copywriting文案拼音:wén àn现代文案的概念:文案来源于广告行业,是"广告文案"的简称,由copy writer翻译而来。

一维无限深势阱

一维无限深势阱

n*dx
=
a −a
A sin ⎢⎣⎡
nπ 2a
(x
+
a)⎥⎦⎤dx
= aA2 = 1
A= 1 a
ψn =
1 a
sin
⎡ ⎢⎣
nπ 2a
(
x
+
a)⎥⎦⎤
ψ
n
( x, t )
=
ψ
− i Et
ne h
=
1 a
sin
⎡ ⎢⎣
nπ 2a
(x
+
a)⎥⎦⎤

−i
eh
Et
En
=
n2π 2h 2 8μA2
ΔEn
=
En +1
§2.6 一维无限深势阱 (1) 序
一维运动 相互作用用势函数 U 表示
势场
⎧散射场 ⎩⎨束缚态
势垒
方形势阱
⎧方形势阱 ⎪⎪谐振子势阱 ⎪⎨δ 阱 ⎪⎩周期阱
一维无限深势阱,图 2.1 所示
Fig 2.1 一维无限深势阱
(2) 一维无限深势阱 在一维空间中运动的粒子,粒子在一定区域内(x=-a 到 x=a)为零,而在此区域外,势能为无
a −a
⎢⎣⎡cos
n
+ n′ 2a
(
x
+
a)

cos
n
− n′ 2a
(
x
+
a)⎥⎦⎤
dx
=0
——此即为波函数的正交条件。
8.波函数可视为两波波函数的迭加
ψ = c e + c e i h
(
nπh 2a

Ent
)

一维无限深势阱

一维无限深势阱

A e ikx B e ikx , ( x ) F e k3 x G e k3 x , C e ikx ,
2 2
x0 0 xa xa
(k k3 ) sh k3a B 2 , 2 A (k k3 ) shk3a 2ikk3chk3a
1 x x 1 x x shx (e e ), chx (e e ). 2 2
ik1 x
2
x0 0 xa xa
2 Beik x B e ik x
ik1 x 3 Ce C e (C 0) ik1 x
这里 k1 因子
ikx e 波数为K的平面波, 则是向左运动的平面波。在I、II两
x 0,
2mE ,k 2 2m( E V0 ) 。考虑到时间 ikx iEt / i t ,因此 代表向右运动的 e e
2
1 2
所以几率密度与 (1
2
/a )
2

1 2
成比例。
一、方势垒
1.方势垒是:
§3.3势垒贯穿 U(x)
U0
x 0 or 0, U ( x) U 0 0 0 x a
xa
0 a x
其特点是: (1)对于势阱,波函数在无穷远处趋于零,能谱是分立的。但 对于势垒,波函数在无穷远处不为零。下面将看到,粒子能量 可取任意值。 (2)按照经典力学观点,若E<U0 ,则粒子不能进入势垒,在x=0处 全被弹回;若 E> U0, 则粒子将穿过势垒运动。 但从量子力学的观点,由于粒子的波动性,此问题将与波 透过一层介质相似,总有一部分波穿过势垒,而有一部分波被 反射回去。因此,讨论的重点是反射和透射系数。

一维无限深势阱粒子能量的可能测量值和相应的几率

一维无限深势阱粒子能量的可能测量值和相应的几率

一维无限深势阱粒子能量的可能测量值和相应的几率一维无限深势阱粒子能量的可能测量值和相应的几率在量子力学中,一维无限深势阱是一个经典的模型系统,用于研究粒子在受限空间内的性质和行为。

其中,粒子的能量是一个非常重要的物理量,其可能的测量值和相应的几率分布是量子力学中的基本课题之一。

在本文中,我们将深入探讨一维无限深势阱粒子能量的可能测量值和相应的几率,并从简到繁地进行全面评估,帮助读者更深入地理解这一主题。

1. 一维无限深势阱的基本概念在一维无限深势阱中,粒子被限制在一个无限深的势阱内运动,即在势阱内能量为负无穷,在势阱外能量为正无穷。

这样的势阱能够构建一个简单而理想化的量子力学模型,便于对粒子的性质进行研究。

2. 粒子在一维无限深势阱中的波函数和能量本征态根据量子力学的基本原理,粒子在一维无限深势阱中的波函数可以用薛定谔方程进行描述。

解出薛定谔方程后,可以得到粒子的能量本征态和对应的波函数表达式,这些能量本征态对应着粒子可能的能量。

3. 能量的可能测量值和相应的几率分布在量子力学中,能量的测量值是一个物理量的可能取值,其对应的几率分布描述了在测量中可能得到某个值的概率。

对于粒子在一维无限深势阱中的能量,我们可以通过对波函数进行归一化处理,得到能量的可能测量值和相应的几率分布。

这些可能的测量值和几率分布将帮助我们理解粒子在势阱内的能量分布规律。

4. 总结与回顾通过对一维无限深势阱粒子能量的可能测量值和相应的几率进行全面评估,我们可以更深入地理解量子力学中的基本概念和原理。

这也有助于我们在实际研究或应用中更灵活地处理粒子能量的测量和分布问题。

个人观点和理解:量子力学中的一维无限深势阱模型是一个简单而重要的系统,通过对其粒子能量的可能测量值和相应的几率进行深入研究,我们可以更好地理解量子世界中的奇妙规律。

对于我而言,通过撰写本文并深入思考这一主题,我对量子力学中的能量测量和分布问题有了更全面的认识,并且能够更好地应用于我的研究和工作中。

第二章一维无限势阱模型

第二章一维无限势阱模型
dt
Hˆ(r) E(r)
E是不依赖r和t的常数
i df Ef
f (t) C exp[iEt / ]
dt
体系处于
(r,t)
(r)
exp[
iEt
/
]
所描写的状态时
能量有确定的值,称这种状态为定态
在分离变量过程中引入的常数 E 为粒子的能量
(r,t) (r) exp[iEt / ] 定态波函数
1 一维线性谐振子 如果粒子的势能具有如下形式 U (x) 1 m 2 x2
2
这样绕平衡位置做周期性振动的粒子称为一维线性谐振子
➢ 任何在平衡位置附近的微振动(三维振动)都可以分解成 几个独立的一维谐振子
➢ 固体中原子的振动可以用这种模型近似地研究
➢ 晶体中格点的振动、分子与分子间的互作用势、核子之 间的核力势等等都可近似为线性谐振子问题
• 在粒子能量E<<U0时的情况下,透射系数不为零经典理论无 法解释。
入射波+反射波
U(x)
透射波
x
隧道效应的实质
1 隧道效应
• 粒子能量小于势垒高度时仍能贯穿势垒的现象 • 类似一列火车通过隧道穿过山峰,这里不存在有形的山峰, 只存在一条无形的势垒曲线
2 原因
微观粒子具有波动、粒子二象性;波原则上可以透过不同物理 性质的两空间的界面,例如,光波的透射
1 0
由定态波函数的边界条件
x a
(U )
1(a) 2 (a),1(a) 2 (a)
4 薛定谔方程的解
首先,引入符号
定态薛氏方程化为
2mE 2
1/ 2
d 2(x) 2(x) 0
dx 2
它的解为
2 Asin x B cosx

量子力学中一维无限深势阱问题两种解题方法的比较

量子力学中一维无限深势阱问题两种解题方法的比较

量子力学中一维无限深势阱问题两种解题方法的比较一维无限深势阱是量子力学中一个经典的问题,可以用两种方法进行求解:定态微扰论和定态井底近似。

1. 定态微扰论:定态微扰论是量子力学中解决简单势场问题常用的一种方法。

在无限深势阱问题中,可以将无穷深方势阱视为定态问题的微扰,将该势场加入到系统的哈密顿量中,然后使用微扰论进行求解。

定态微扰论的步骤如下:- 首先,将无限深方势阱问题的哈密顿量记为H0,并找到H0的本征函数和本征能量。

- 然后,将无穷深势阱视为微扰,将微扰项H'加入到哈密顿量。

- 使用微扰论的公式,展开本征函数和本征能量的泰勒级数,得到微扰的一阶修正项。

- 最后,将微扰项的一阶修正项加到H0的本征能量上,得到精确的能级修正。

2. 定态井底近似:定态井底近似是另一种求解一维无限深势阱问题的常用方法。

该方法的核心思想是将无穷深方势阱问题看作是薛定谔方程在势能井底附近的近似解。

定态井底近似的步骤如下:- 首先,将无限深方势阱的势能井底近似为一个宽度为a的矩阵势阱,且矩阵势阱的势垒高度为无穷大。

- 然后,将定态薛定谔方程在矩阵势阱内求解,得到在该势阱内的本征函数和本征能量。

- 最后,将势能井底趋于无穷深,即将势阱的势垒高度取极限使其趋于无穷大,此时得到的本征函数和本征能量就是无限深方势阱问题的精确解。

比较两种方法:- 定态微扰论适用于一般情况下的微扰问题,可以求得很多物理量的修正。

但是在计算过程中需要进行级数展开,需要考虑到每一阶的修正项,计算较为复杂。

- 定态井底近似是一种近似方法,适用于无穷深方势阱问题的求解。

它将无穷深方势阱问题转化为一个简单的矩阵势阱问题,简化了问题的求解过程。

- 在求解一维无限深势阱问题时,定态井底近似更加简单快速,能够直接得到问题的精确解。

而定态微扰论的应用范围更广,在求解一些复杂问题时更具有优势。

综上所述,定态井底近似适用于一维无限深势阱问题的精确解,而定态微扰论适用于更一般的微扰问题,并具有更广泛的应用范围。

量子力学 一维无限深势阱

量子力学 一维无限深势阱

55§2.6一维无限深势阱(Potential Well )(理想模型)重点:一维无限深势阱中粒子运动的求解难点:对结果的理解实际模型:金属中电子的运动,不计电子间的相互碰撞,也不考虑周期排列的金属离子对它们的作用。

一、写出本征问题 势场为:⎩⎨⎧≥∞<=a x ,a x ,0)x (U 区域I(阱内,a x <)方程为: )x (E )x (dx d 2I I 222ψ=ψμ−h (1) 区域II、III(阱外,a x ≥)方程为: )x (E )x ()U dxd 2()III (II )III (II 0222ψ=ψ+μ−h (2) 其中∞=0U 。

波函数的边界条件是:)a ()a (II I ψ=ψ,)a ()a (III I −ψ=−ψ (3)二、求解本征方程 我们令2E 2h μ=α, 20)E U (2'h−μ=α (4) 则:)x (E )x (dx d 2I I 222ψ=ψμ−h 的解为: x i x i I Be Ae )x (αα−+=ψ a x <(5)56 )x (E )x ()U dx d 2()III (II )III (II 0222ψ=ψ+μ−h 的解为:x 'x'II e 'B e 'A )x (αα−+=ψ a x ≥ (6)x 'x 'III e ''B e ''A )x (αα−+=ψ a x −≤ (7) 由(6)-(7)式和波函数的有限性知: 0'B ,0''A ==,即:x 'II e 'A )x (α−=ψ a x ≥x 'III e ''B )x (α=ψ a x −≤又由于∞=0U ,则:∞=−μ=α20)E U (2'h于是:0)x ()x (III II =ψ=ψ (8) 而)a ()a (II I ψ=ψ,)a ()a (III I −ψ=−ψ;x i xi I Be Ae )x (αα−+=ψ则:⎩⎨⎧=+=+α−ααα−0Be Ae 0Be Ae a i a i ai a i (9)于是A、B 不能全为零的充分必要条件为: 0e e e e a i a i ai ai =α−ααα−, 即:0)a 2sin(=α 解之得:a 2n π=α,,....2,1,0n ±±= (10)将其代入到⎩⎨⎧=+=+α−ααα−0Be Ae 0Be Ae a i a i a i ai ,得:0Be Ae 2/in 2/in =+ππ−即:B )1(A 1n +−=代入x i x i I Be Ae )x (αα−+=ψ中,得:57 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=π=π=ψ,..5,3,1n ,x a 2n cos D ,...6,4,2n ,x a 2n sin C )x (I a x < (11)其中0n =,()0x =Ψ为平凡解,无意义;,...2,1n −−=不给出新的解。

2-6 一维无限深方势阱

2-6 一维无限深方势阱

nπ nπ A sin x , 2 ψn x 2a 0,
其中 n 1, 2,
x a x a
(25)
, 这里我们补写了波函数阱外部分, 它恒等于零。 薛定谔方程是个线性方程,
因此有个未确定的常数因子 A 。可以利用归一化条件来确定这个常数的模
px Et
是方程(3)的解。 现在, 我们通过求解方程来得到这个解。
从物理上考虑, E 代表粒子的动能,因此我们推测 E 0 才有意义。先假设 E 0 ,令
k
则方程(4)化为
2mE
2
(5)
d2 ψ x k 2 ψ x 0 dx 2
这是个二阶微分方程,对于确定的 E (或 k )值,两个线性无关的解可选为
A 0, cos ka 0 B 0, sin ka 0
由此可知,满足要求的 k 值为
(19) (20)
ka
相应的能量本征值为
nπ , n 1, 2, 2
(21)
En
当 n 为奇数时,取第一组解
π2 2n2 8ma 2
nπ x, 2a nπ x, 2a x a
(22)
ψn x B cos
(6)
eikx 和 eikx
二者对应同一个能量值,因此能量 E 是二重简并的。将(7)式添上时间因子 e
i Et
(7)
eit ,得
(8)
e
i kx t
和e
i kx t
可以看出,两个解分别代表向右和向左传播的平面波。参数 k 的含义是波数,两个解对应的 波矢 k 分别为 ke x 和 ke x 。注意,通常将(8)式统一写为 e 可以取正值,也可以取负值。

一维无限深势阱

一维无限深势阱

一维无限深势阱无限深阱假设粒子不能离开势阱,也就是有一个势为无穷大的壁。

势可以写成()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧>≤≤-∞=2022a x a x a x V(注:也可以选用坐标形如第二个图,这样的解简单,且容易推广到三维,但是对称性不如第一个图明显。

)注意,这个势是有奇异性的,我们分别有势阱内和势阱外的方程:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧>=≤=+外)(阱外,粒子不能到阱(阱内)2020222a x a x E m dx d ψψψ 考虑势阱内,定义: 22mE k ≡ 定态方程为:0222=+ψψk dxd 此方程的通解为:kx B kx A cos sin +=ψ或:()δψ+=kx A sin连续性条件:02=±=ax ψ(单值、有限自动满足) 于是:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-+-+)2(cos )2(sin )2(cos )2(sin a k B a k A a k B a k A (注意:由于势在边界上有奇异性(无限深 ), ψ不连续,有跃变。

)这是关于 A 、B 的齐次方程,有非零解的条件是系数行列式为零,即:02cos 2sin 2cos 2sin =-a k a k a kak因此, 02cos 2sin 2=a k a k 即:0sin =ka故:() 3,2,1==n n ka π(注意:n 不能取 0 ,否则就出现了不振动的“波”。

)an k k n π== 22222ma n E n π= n maE 222π ≈∆ 可见势阱中能级是分立的,(与用德布罗意驻波直接计算一样)。

需要注意的是,n ma E 222π ≈∆,即能级越高越稀疏,但大量子数情况下02~→∆nE E n n ,即n n E E <<∆,所以在经典情况下(大量子数)感受不到能级的间隔,便认为能量是连续的,与对应原理相符。

下面求波函数,我们有:n 为奇数(偶宇称):002sin =⇒=A a k A n ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧>≤=∴202cos a x a x x k B n n ψ n 为偶数(奇宇称):002cos =⇒=B a k B n ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧>≤=∴202sin a x a x x k A n n ψ其实上述结果可以直接看出来,因为态应该取确定的宇称,因此只能是sin 或者cos ,不可能是它们的组合。

一维无限深势阱中的能级公式(一)

一维无限深势阱中的能级公式(一)

一维无限深势阱中的能级公式(一)一维无限深势阱中的能级公式一维无限深势阱简介•一维无限深势阱是指在一维空间中的一个势能函数,其势能在有限范围内为无穷大,而在这个范围外为零。

•这个模型常用于量子力学研究中,用于描述束缚电子在限定区域内的能级结构。

能级公式的推导•根据经典力学的思想,势能为零区域内的粒子应该是运动不受限制的,因此在这个区域内的能量取任意值,可以看作连续的。

•而在势能无穷大的区域外,粒子无法存在,因此能量必须是有限的。

•具体推导过程如下:一维薛定谔方程•在量子力学中,波函数满足薛定谔方程。

•对于一维无限深势阱,薛定谔方程可以表示为:d2ψdx2+2mℏ2(E−V(x))ψ=0•其中,ψ为波函数,x为位置坐标,m为质量,E为能量,V(x)为势能函数。

薛定谔方程的解•由于势能函数V(x)为零,因此在势阱内,薛定谔方程可以简化为:d2ψdx2+2mEℏ2ψ=0•这是一个二阶常微分方程,其解可以表示为:ψ(x)=Asin(kx)+Bcos(kx)•其中,A和B为常数,k为波数,可以表示为:k=√2mE ℏ2波函数的边界条件•在势阱内,波函数必须满足边界条件,在势能函数为无穷大的区域外,波函数必须趋于零。

•因此,当x=0时,ψ(0)=0;当x=L时,ψ(L)=0。

边界条件的限制•根据边界条件,可以得到以下关系式:Asin(k⋅0)+Bcos(k⋅0)=0Asin(kL)+Bcos(kL)=0•上述两个方程同时成立时,波函数满足边界条件。

求解能级•根据上述边界条件,可以解得k n L=nπ,其中n为正整数。

•将k n代入波数的公式中,可得能量的公式:E n=ℏ2k n22m=n2π2ℏ22mL2能级公式的解释与例子•以上推导得到的能级公式表明,在一维无限深势阱中,粒子的能量只能取离散的值,且与n的平方成正比。

–n越大,能级越高。

•这也意味着在一维无限深势阱中,粒子存在着多个能级,且能级之间的能量差是固定的。

一维定态问题无限深方势阱

一维定态问题无限深方势阱

u(x)
2
=
2
sin 2

a a
0
x, ,
0≤ x≤a x < 0,or, x > a
n = 1, 2,3,
概率分布不均匀,存在概率为零的节点。 但:概率分布不随时间变化!
§2.4 一维定态问题–无限深方势阱
结论:
(3) 束缚在势阱中的粒子的能量是量子化的
=E
E=n
π2 2
2ma2
n2 ,
平均值
∫ = E
+∞
ψ
−∞
*
(r
,
t
)

2
2m
∇2
+V
(r,t) ψ
(r , t )dτ
总能能算符:

=−
2
∇2
+V
(r,t)
pˆ 2 =
+V (r,t)
2m
2m
称为粒子的哈密顿算符。
§2.5 力学量的平均值、算符表示—平均值
含时薛定谔方程:
i
∂ψ
∂t
=

2
2m
∇2
+ V (r,t) ψ
(1) 粒子的位置 r
例如:一维无限深方势阱
粒子的位置是不确定的,取值在[0, a]之间。 但粒子的概率分布是确定的,是
u(x)
2
=
2 sin2 nπ a a 0
x, ,
0≤ x≤a x < 0,or, x > a
n = 1, 2,3,
所以,可以得到粒子位置的平均值 (假设粒子处在基态 n =1 态):
2
∇2 2m
+ V (r,t)ψ

2.6一维无限深势阱

2.6一维无限深势阱

A sin a B cosa 0, A sin a B cosa 0,
由此得到
B cosa 0,
A sin a 0,
A,B不能同时为零,所以
(1)A=0, (2)B=0,
(2.6.7)
cosa 0,
sin a 0,
(2.6.8) (2.6.9)
n 所以 a , n 1,2,3 2
把在无限远处为零的波函数所描写 的状态称为束缚态。 一般来说,束缚态的能级是分立的。
能量最低的状态,称为基态。
§2.6一维无限深势阱
一.一维无限深势阱 考虑粒子在一维空间中运动,它的势能在一定 区域内(-a<x<a)为零,而在此区域以外,势 能为无限大,即
U x 0, x a, U x , x a.
(2.6.1)
这种势阱称为一维无限深势阱。 在阱内( x a, )体系所满足的定态薛定谔方程为
和有限性的要求,只有当 0 时。(2.6.3)式才 能成立,所以有
0


x a
1 2
(2.6.4)
2m E 2
(2.6.5)
则(2.6.2)式简化为
d 2 ( x) 2 ( x) 0 2 dx

x a,
其通解为 ( x) A sin x B cosx , x a, ( 2.6.6 ) 因为 ( a) 0 ,代入(2.6.6),有
n ( x, t ) n x e
i
i En t
En t n x a e A sin 2a
e e 由 sin 2i
i
得,
n ( x, t ) C1e

21-6一维无限深势阱

21-6一维无限深势阱

于是
n a
x (2 N 1) 2
N 0,1,2,, n 1 x ( 2 N 1) 2an x 1a 2
3 x 1a,4a 4
由此解得最大值得位置为 例如
n 1, N 0 n 2 , N 0 ,1,
最大值位置
最大值位置
n 3 , N 0 , 1 , 2 , 最大值位置
2 n ( n) a sin 2 2 n a
x
n 1,2,3,
将上式对x求导一次,并令它等于零
d n ( x ) dx
2

x 0
4 m a2
sin na x cos na x 0
0 x a , sin na x 0 cos na x 0
因为在阱内,即 只有
§21-6
一维无限深势阱
一、一维无限深势阱 若质量为m的粒子,在保守力场的作用下,被限制在一定的范 围内运动,其势函数称为势阱。 势函数 :
0 U (x)
0 xa
x 0, x a
( x) 0
o
a
x
二、方程的求解 当x<0时:
当0≤x≤a时:
d ( x) 2m 2 E ( x) 0 2 dx
3、粒子在势阱内出现概率ห้องสมุดไป่ตู้度分布 经典观点:
不受外力的粒子在0到 a 范围内出现概率处处相等。
量子论观点:
Ψ (x)
当 n 很大时, 量子概率分 布就接近经 典分布 0
2 2 n Ψ( x) sin ( x) a a
2
Ψ (x)
2
n =4 n =3 n =2
a n =1
0
a

§251一维无限深方势阱

§251一维无限深方势阱

4
联立(2.5.5)--(2.5.6)式,解出 , 再由(2.5.4)可给出能谱。

2.5一维方势阱
二、在 x a / 2 区,取 ( x ) sin kx ,解取有奇宇称 的情况 同样,利用波函数对数微商在x a / 2 连续条 件得:
ctg
2 .5 .7
在x
a/2
区,薛定谔方程是:
k 0
2
d
2
dx k
2
x a/2 2 .5 .2
2mE /
2
2.5一维方势阱
其解为 A sin kx B co s kx
一、在 x a / 2 区,取 ( x ) cos kx ,解取有偶宇称 的情况 利用 x a / 2 处波函数对数微商的连续条件都可得
n (x)
2
2.5一维方势阱
由图可以看出,在不同能级上粒子出现的 概率密度是不同的。在基态,粒子出现的概 率在阱区中部为最大,而越靠近阱壁概率越 小,阱壁上概率为零。在激发态,粒子在阱 内出现的概率是起伏变化的,随着量子数 n 的增大,起伏变化越来频繁。
而在经典物理中,粒子在阱内各处出现的 概率是相等的。 由图可以推断,只有当量子数 n 很大时,粒 子在阱内各处的概率才趋于均匀。
同样,作 (2.5.6)和 3 (2.5.7)式相 应曲线,他们 2 的交点表示波 函数其宇称时 1 相应的能谱。 所得结果见右 图。
mU 0a 2
2 2
ctg
1
/2 2
3

4

由以上图可见,对于奇宇称态,当且仅当 2 2
/4
2
时,即当 U 0 a

一维无限深势阱

一维无限深势阱

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25
对奇宇称态则不同,只当
2 2 mV0a2 / 22 2 / 4

V0a2
2h2
2m
,或
V0
2h2
2ma2

才可能出现最低的奇宇称能级。
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26
3、束缚态与分立谱的讨论
由以上分析可知,束缚态能量是分立的。
相应动量也是分立的。 这是在束缚态边界条件下求解定态方程的结果。
En
π 22 2ma 2
n2
(n 1,2,3, )
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8
❖ 由波函数的归一性质定常数 B
a
(x) *(x)dx 1
0
a
B2sin 2kxdx 1
0

B 2 a
本征函数
n(x)
2 sin nπ x aa
( n 1,2,3,)
这组函数构成本征函数系。
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9
⑥定态波函数
n
n
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16
写出分区定态方程 在阱外(经典禁介区)
d2 dx 2
1
2m 2
(V0
E) 1
0
(1)

方程(1)变为
其解为
2m(V0 E)
(2)
1'' 21 0
1 ~ ex
都是方程的解?
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17
考虑到束缚态边界条件:| x | 时 0,有
Be
x
1(x)
Aex
A, B为待定常数.
0时, ' ' 0,
取极小值 向上弯曲
0时, ' ' 0,
取极大值 向下弯曲(见右图)

量子力学 一维无限深势阱

量子力学 一维无限深势阱

55§2.6一维无限深势阱(Potential Well )(理想模型)重点:一维无限深势阱中粒子运动的求解难点:对结果的理解实际模型:金属中电子的运动,不计电子间的相互碰撞,也不考虑周期排列的金属离子对它们的作用。

一、写出本征问题 势场为:⎩⎨⎧≥∞<=a x ,a x ,0)x (U 区域I(阱内,a x <)方程为: )x (E )x (dx d 2I I 222ψ=ψμ−h (1) 区域II、III(阱外,a x ≥)方程为: )x (E )x ()U dxd 2()III (II )III (II 0222ψ=ψ+μ−h (2) 其中∞=0U 。

波函数的边界条件是:)a ()a (II I ψ=ψ,)a ()a (III I −ψ=−ψ (3)二、求解本征方程 我们令2E 2h μ=α, 20)E U (2'h−μ=α (4) 则:)x (E )x (dx d 2I I 222ψ=ψμ−h 的解为: x i x i I Be Ae )x (αα−+=ψ a x <(5)56 )x (E )x ()U dx d 2()III (II )III (II 0222ψ=ψ+μ−h 的解为:x 'x'II e 'B e 'A )x (αα−+=ψ a x ≥ (6)x 'x 'III e ''B e ''A )x (αα−+=ψ a x −≤ (7) 由(6)-(7)式和波函数的有限性知: 0'B ,0''A ==,即:x 'II e 'A )x (α−=ψ a x ≥x 'III e ''B )x (α=ψ a x −≤又由于∞=0U ,则:∞=−μ=α20)E U (2'h于是:0)x ()x (III II =ψ=ψ (8) 而)a ()a (II I ψ=ψ,)a ()a (III I −ψ=−ψ;x i xi I Be Ae )x (αα−+=ψ则:⎩⎨⎧=+=+α−ααα−0Be Ae 0Be Ae a i a i ai a i (9)于是A、B 不能全为零的充分必要条件为: 0e e e e a i a i ai ai =α−ααα−, 即:0)a 2sin(=α 解之得:a 2n π=α,,....2,1,0n ±±= (10)将其代入到⎩⎨⎧=+=+α−ααα−0Be Ae 0Be Ae a i a i a i ai ,得:0Be Ae 2/in 2/in =+ππ−即:B )1(A 1n +−=代入x i x i I Be Ae )x (αα−+=ψ中,得:57 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=π=π=ψ,..5,3,1n ,x a 2n cos D ,...6,4,2n ,x a 2n sin C )x (I a x < (11)其中0n =,()0x =Ψ为平凡解,无意义;,...2,1n −−=不给出新的解。

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一维无限深势阱
定义编辑
粒子在一种简单外力场中做一维运动,其势能函数为U(X)=0 (-a<x<a);U(x)=∞ (x≥a或x≤-a)。

由于其函数图形像阱,且势能在一定区域为0,而在此区域外势能为无穷大,所以这种势能分布叫做一维无限深势阱。

实际模型编辑
自由电子在一块金属中的运动相当于在势阱中的运动。

在阱内,由于势能为零,粒子受到的总的力为零,其运动是自由的。

在边界上x=0或x=a处,由于势能突然增加到无限大,粒子受到无限大指向阱内的力。

因此,粒子的位置不可能到达0<x<a的范围以外。

一维无限深势阱中粒子运动的波函数编辑
一维无限深势阱中粒子运动的波函数为Ψ(x)=√(2/a)·sin(nπx/a) (0<x<a)。

三、一维势阱
3.1 一维无限深势阱
要使电子脱离金属,需要对它做功,这相当于电子在金属表面处势能突然增大,自由电子在金属内部的运动,可近似比作在无限深势阱的运动。

由于金属是各向同性的,便可简化为电子在一维无限深势阱中的运动。

势能曲线如右图,势能表达式为
电子在一维无限深势阱中运动,用经典力学描述和量子力学描述得到了完全不同的结果。

按照经典概念,当外界向它提供能量时,电子可获得此能量而自身能量发生连续变化。

电子在阱内任何位置出现的概率也是相等的。

然而,按照量子力学观点,它的行为却不是这样的。

(1) 定态薛定谔方程的解
电子所受的保守力,在边界处电子所受的力无限大,指向阱内,意味着电子不可能越出阱外,由波函数物理意义可知势阱外波函数。

电子在势阱内势能为零,受力为零。

势阱内定态薛定谔方程为

方程变为
其解为
根据波函数应满足的标准化条件,波函数应在边界x=0和x=a上连续

应用归一化条件
求得
于是定态波函数为
(2) 能量量子化
因,合并(23.3.3)式,即得到一维无限深势阱中的电子能量
上式表明:电子的能量不能连续地取任意值,只能取分立值,即能量是量子化的,可形象地称为处于相应的能级(如右图所示)。

(23.3.5)式中n称为能量量子数,E n为本征能量。

在这里,能量量子化不像早期量子论那样是作为假设提出来的,而是求解薛定谔方程的必然结果。

如果n =0,则E=0,动量p=0,即动量不确定度为0,而坐标的不确定度为a,这就违反了不确定关系。

所以n =0的状态不存在,n最小必须为1,此时
电子的能量称为基态能量,它又被称为零点能。

相邻能级间的间隔
对于很小的n值即低能级状态,电子的能量间隔甚至可能大于能级E n本身,这时量子化特征非常显著,经典力学完全不适用。

随着n值增大,电子能量间隔的绝对值虽然也增大,但比起能量本身则要小些,即相对变化量(23.3.7)式逐渐变小。

当时,能量量子化现象几乎消失,能级分布可视为连续变化,这时经典力学与量子力学的结论一致。

(3) 电子的波函数和位置概率分布
电子的定态波函数((23.3.4)式中的第二式)是与能量本征值E n对应的能量本征函数。

能量量子数n从1至 ,它们组成完备的集合。

可以证明:任何一个叠加态的波函数都可用这一组完备的本征函数展开。

所谓叠加态,就是各本征态以一定的几率、确定的本征值、独立完整的存在于其中。

实验上物理量的测量值,是叠加态中可能的本征态的本征值按其本征态出现的几率来计算的平均值。

令,电子在势阱中的含时波函数可写为
这样,波函数就可以看成是两列沿x轴相反方向传播的单色平面波的叠加。

由得
为德布罗意波长。

上式即为在长度为a的一维弦线上形成驻波的条件,因此电子在势阱内的波函数在两势阱壁间形成驻波。

电子在阱内不同位置出现的概率是不相等的,各处的概率密度为
势阱中德布罗意驻波波腹处出现的概率最大,波节处,电子出现的概率为零。

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