第二十七章薛定谔方程ppt课件.ppt
《第二十七章薛定谔方程ppt课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第二十七章薛定谔方程ppt课件.ppt(44页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、薛定谔方程是量子力学的基本动力学方程薛定谔方程是量子力学的基本动力学方程概述概述1.一维定态薛定谔方程一维定态薛定谔方程2.定态波函数定态波函数3.粒子在无限深方势阱中的波函数及能量、动量及波长粒子在无限深方势阱中的波函数及能量、动量及波长4.势垒穿透势垒穿透 隧道效应隧道效应27.1薛定谔方程薛定谔方程一一 波函数及其统计解释波函数及其统计解释 微观粒子具有波粒二象性,其位置与动量不能同时微观粒子具有波粒二象性,其位置与动量不能同时确定,无法用经典物理方法描述其运动状态;确定,无法用经典物理方法描述其运动状态;量子力学量子力学用波函数来描述微观粒子的运动用波函数来描述微观粒子的运动1.波函数
2、波函数经典波的波函数经典波的波函数:电磁波电磁波0( , )cos2()xE x tEt0( , )cos2()xH x tHt( , )cos2()xy x tAt机械波机械波经典波为实函数经典波为实函数eRe),()(2ixtAtxy微观粒子的微观粒子的波函数(复函数)波函数(复函数)自由粒子平面波函数自由粒子平面波函数: E 和和 p 分别为自由粒子的能量和动量分别为自由粒子的能量和动量(E=p2/2m);自由粒自由粒子的能量和动量是确定的,频率和波长不变(子的能量和动量是确定的,频率和波长不变( =E/h, =h/p),可认为是一平面单色波),可认为是一平面单色波自由粒子:自由粒子:不
3、受外力场的作用,其动量和能量都不变的不受外力场的作用,其动量和能量都不变的粒子粒子,cos2 ()x x tt 波函数的复指数形式:波函数的复指数形式:2,exit x t1,22EEhpphph根据德布罗意公式根据德布罗意公式有有( , )iEtpx x te自由粒子波函数自由粒子波函数22221222mpEmmmvv2.波函数的统计意义波函数的统计意义*2正实数正实数粒子某一时刻出现在某点体积元粒子某一时刻出现在某点体积元dV中的概率中的概率:2*ddVV概率密度概率密度: 某处单位体积内粒子出现的概率某处单位体积内粒子出现的概率 波函数是粒子在各处被发现的概率,量子力学用波波函数是粒子在
4、各处被发现的概率,量子力学用波函数描述微观粒子的运动函数描述微观粒子的运动3.波函数的归一化条件波函数的归一化条件21 dV 即某一时刻整个空间内发现粒子的总概率为即某一时刻整个空间内发现粒子的总概率为14.波函数的标准条件波函数的标准条件波函数必须是单值、连续、有限的函数波函数必须是单值、连续、有限的函数二二 薛定谔方程薛定谔方程自由粒子(质量为自由粒子(质量为m)在势场)在势场U(x,t)中的一维薛定谔方程中的一维薛定谔方程222,2U x t imxt称为含时一维薛定谔方程称为含时一维薛定谔方程1.一维运动自由粒子的含时薛定谔方程一维运动自由粒子的含时薛定谔方程(对自由粒子的波函数(对自
5、由粒子的波函数 取取x的二阶偏导数和的二阶偏导数和t的一阶偏导的一阶偏导数可得)数可得)222,2 x ti x tm xt一维(设沿一维(设沿x向运动)自由粒子的薛定谔方程:向运动)自由粒子的薛定谔方程: 当粒子在势场当粒子在势场U(x,t)中运动,则有中运动,则有22,EpmU x t自由粒子在势场中的能量为自由粒子在势场中的能量为2.一维定态薛定谔方程一维定态薛定谔方程 若势场只是坐标的函数,与时间无关,若势场只是坐标的函数,与时间无关, 即即U=U(x),为恒定势场,则波函数为为恒定势场,则波函数为 ( , )( ),iEt x tx e x txt 将将 代入代入含时一维薛定谔方程,
6、可得含时一维薛定谔方程,可得 的空间部分的空间部分 = (x)满足方程满足方程 2222U xEmx定态薛定谔方程定态薛定谔方程 1) = (x)称为粒子的称为粒子的定态波函数定态波函数,所描述的粒子的状,所描述的粒子的状态称态称定态定态粒子的粒子的能量能量E不随时间变化的状态不随时间变化的状态(粒子具粒子具有确定的能量值有确定的能量值),粒子在空间的概率分布不随时间改),粒子在空间的概率分布不随时间改变;变;定态波函数的性质定态波函数的性质:粒子:粒子能量能量E不随时间变化,不随时间变化,概概率密度率密度| |2 不随时间变化不随时间变化注意:注意:3)做为上式的解)做为上式的解 与与 均满
7、足叠加原理,即均满足叠加原理,即nnccc22111122nnccc或或它们的线性组合态也是一种可能的状态;它们的线性组合态也是一种可能的状态; 4)对于任何能量值)对于任何能量值E定态薛定谔方程定态薛定谔方程都有解,需满足波都有解,需满足波函数的标准条件:单值、有限、连续函数的标准条件:单值、有限、连续3.三维定态薛定谔方程三维定态薛定谔方程 2222222()2UEmxyz直角坐标系直角坐标系2222222221(sin)2sin1sinmrrrrUEr球坐标系球坐标系xyzor( , , )P r 势能曲线呈无限深的井,称为(一维)势能曲线呈无限深的井,称为(一维)无限深方势阱无限深方势
8、阱简单的理论模型简单的理论模型(固体物固体物理金属中自由电子的简化模型理金属中自由电子的简化模型); 势阱内,势能为常量,粒子不受力做势阱内,势能为常量,粒子不受力做自由运动;在自由运动;在x=0和和x=a的边界处,势能为无限大,粒子的边界处,势能为无限大,粒子会受到无限大的指向阱内的力作用;所以粒子的位置限会受到无限大的指向阱内的力作用;所以粒子的位置限定在势定在势阱内,粒子的这种状态称为阱内,粒子的这种状态称为束缚态束缚态27.2 无限深方势阱中的粒子无限深方势阱中的粒子一一 无限深方势阱无限深方势阱 粒子在简单外力场中做一维运动,势能函数为粒子在简单外力场中做一维运动,势能函数为U 00
9、0,xaxxaUU0ax势能曲线势能曲线1.无限深方势阱无限深方势阱 2.无限深方势阱中粒子的波函数无限深方势阱中粒子的波函数 2222U xEmx一维定态薛定谔方程一维定态薛定谔方程势阱外:势阱外:xa区域区域( (边界条件边界条件) ),U=,不会有粒子不会有粒子存在,则存在,则0,0,xxa势阱内:势阱内:0 xa区域,区域,U=0,则有方程则有方程22220mEx 令令2222mEmEkk2220kx2220kx与简谐运动方程与简谐运动方程 比较,解为比较,解为2220d xxdtsin(),0Akxxa 波函数的标准条件:单值、有限和连续,则波函数在波函数的标准条件:单值、有限和连续
10、,则波函数在x=0,x=a处连续,即处连续,即0:sin00 xA:sin0,1,2,.xaAkakannknasin,1,2,.nAxna归一化条件确定振幅归一化条件确定振幅A: 2*01adxdx22200sin1aandxAxdxa1dsin022xxanAa2a21 cos2sin22Aa可得可得粒子在无限深方势阱中的波函数为粒子在无限深方势阱中的波函数为 2sin,1,2,.nnxnaa n表示对应整数表示对应整数n,粒子的相应定态波函数粒子的相应定态波函数二二 粒子在无限深方势阱中的能量粒子在无限深方势阱中的能量 2,1,2,.mEnkkna2222,1,2,.2Ennma可得可得
11、粒子的能量为粒子的能量为 上式表明,上式表明,粒子在无限深方势阱中的能量是量子化的粒子在无限深方势阱中的能量是量子化的, ,只能取分立值只能取分立值; 每一能量值对应一个每一能量值对应一个能级能级,称为,称为能量本征值能量本征值,n称称为为量子数量子数粒子的全部波函数为粒子的全部波函数为( , )exp( 2)nnx tiEt h称为称为能量本征波函数能量本征波函数,每个本征波函数所描述的粒子的,每个本征波函数所描述的粒子的状态称为状态称为粒子的能量本征态粒子的能量本征态( , )( )iEtnnx tx e基态能量基态能量2212(1)2Enma 激发态能量激发态能量22221112, (2
12、,3,)4,9,2nEnn EnEEma三三 波函数与坐标的关系波函数与坐标的关系概率密度概率密度222( )sin ()nnxxaan2( )nx4n3n2n16E19E14E1E1a1n0 x xnE2a基态基态n 2.粒粒子在势阱中各处出现的概率子在势阱中各处出现的概率不同不同( nx- -蓝色实线)蓝色实线)1.粒粒子在势阱中各处出现的概率子在势阱中各处出现的概率密度不同密度不同(| n|2x- -红色虚线红色虚线)2sinnnxaan =1时,时, 粒子在粒子在 x = a /2处出现的概率最大处出现的概率最大222nEn ma,20nnnEEn 结论:当结论:当n很大时,能量趋于连
13、续,很大时,能量趋于连续,即经典物理的图像即经典物理的图像 2,2nnpnEkma2nnpmEnka 3.粒子在势阱中运动的动量粒子在势阱中运动的动量n2( ) x4n3n2n16E19E14E1E1a1n0 x xnE2a基态基态n 根据典理论,粒子在势阱内来回的周期性自由运动,根据典理论,粒子在势阱内来回的周期性自由运动,在各处概率密度应完全相同,且与粒子的能量无关在各处概率密度应完全相同,且与粒子的能量无关2222,1,2,.2nEnnma粒子的德布罗意波长粒子的德布罗意波长22,1,2,.nnhanpnk波长也是量子化的,为势阱宽度波长也是量子化的,为势阱宽度2倍的整数分之一倍的整数分
14、之一 n与两端固定弦的与两端固定弦的驻波波驻波波长形式相同长形式相同(见(见P158式式 n=2L/n)nkan2( )nx4n3n2n16E19E14E1E1a1n0 x xnE2a基态基态12a2a323a42aL12233212L2L323L弦线振动的简正模式弦线振动的简正模式 无限深方阱壁粒子的无限深方阱壁粒子的每一个能量本征态对应德每一个能量本征态对应德布罗意波的一个特定波长布罗意波的一个特定波长的驻波的驻波; 波函数为驻波形式,波函数为驻波形式,阱壁阱壁处为波节处为波节,波腹的波腹的个数与量子数个数与量子数 n 相等相等n2( )nx4n3n2n16E19E14E1E1a1n0 x
15、 xnE2a基态基态12a2a323a42a例例27.2核内的质子和中子可认为处于无限深势阱中不能逸核内的质子和中子可认为处于无限深势阱中不能逸出,在核中是自由运动;估算质子从第一激发态(出,在核中是自由运动;估算质子从第一激发态(n=2)到基态(到基态(n=1)转变时放出多少)转变时放出多少MeV的能量。核的线度为的能量。核的线度为1.010-14m。 解:势阱宽度解:势阱宽度a即核的线度,则质子基态能量即核的线度,则质子基态能量222342131227142(1.05 10)3.3 1022 1.67 10(1.0 10)pEJm a第一激发态能量第一激发态能量1321413.2 10EE
16、J13219.9 106.2EEEJMeV18196(16.25 1011.6 10110)JeVeVJMeVeV作业:作业:4 , 8 27.3 势垒穿透势垒穿透 隧道效应隧道效应一一 半无限深方势阱半无限深方势阱 势能函数为势能函数为U 0,00,0,xxaUxa在在x 0区域,区域,U=,粒子的波函数,粒子的波函数 = 0在在0 0 xa区域的区域的势阱内,势阱内,粒子的能量粒子的能量Ea的区域的区域,薛定谔方程为薛定谔方程为02 ()km UE,令令有有方程的解为方程的解为2k xk xCeDe20222dmUEdx222kx22022UEmx波函数有限,即应满足波函数有限,即应满足x
17、时有限,则有时有限,则有D = 02k xCe波函数应满足在波函数应满足在 x=a 处连续处连续,则有,则有sin()k aAkaCe还有,还有,d /dt在在x=a处也应连续,又有处也应连续,又有cos()k akAkak Ce 波函数的连续性条件波函数的连续性条件 x,ddx在边界连续在边界连续 上两式结果表明:束缚在势阱内的粒子(上两式结果表明:束缚在势阱内的粒子(EU0)的)的能量仍是量子化的(能量本征值与前面不同,计算复杂能量仍是量子化的(能量本征值与前面不同,计算复杂略)略) 根据经典理论,当粒子能量根据经典理论,当粒子能量 E a区域,区域,因为因为粒子在这粒子在这一区域的动能会
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第二 十七 章薛定谔 方程 ppt 课件
限制150内