量子物理学的诞生 波函数 一维定态薛定谔方程.ppt

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1、大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 15.6 波函数波函数 一维定态薛定谔方程一维定态薛定谔方程一、波函数及其统计解释一、波函数及其统计解释 微观粒子具有波动性，微观粒子具有波动性，1925年奥地利物理学家年奥地利物理学家薛定谔首先提出用物质波波函数描述微观粒子的运薛定谔首先提出用物质波波函数描述微观粒子的运动状态。动状态。波函数波函数 量子力学中用以描述粒子运动状态的数量子力学中用以描述粒子运动状态的数学表达式。学表达式。自由粒子自由粒子 不受外力场的作用不受外力场的作用,其动量和能量都其动量和能量都不变的粒子。不变的粒子。1大学物理大学物理 第

2、三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 平面机械波波函数的复数形式平面机械波波函数的复数形式 类似类似,自由粒子的物质波的波函数也可表示为自由粒子的物质波的波函数也可表示为 利用利用 波函数也可表示为波函数也可表示为 2大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 式中式中 是待定常数是待定常数,相当于相当于x 处波函数的处波函数的复振幅复振幅,反映波函数随时间的变化。反映波函数随时间的变化。物质波波函数是复数，它本身并不代表任何可物质波波函数是复数，它本身并不代表任何可观测的物理量。观测的物理量。波函数是怎样描述微观粒子运动状态的？波

3、函数是怎样描述微观粒子运动状态的？3大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 1926年德国物理学家玻恩提出了物质波的统计解年德国物理学家玻恩提出了物质波的统计解释：实物粒子的物质波是一种概率波释：实物粒子的物质波是一种概率波,t 时刻粒子在空时刻粒子在空间间 r 处附近的体积元处附近的体积元 dV 中出现的概率中出现的概率dW与该处波函数与该处波函数绝对值的平方成正比。绝对值的平方成正比。式中式中 是波函数是波函数 的共轭复数。的共轭复数。波函数绝对值平方波函数绝对值平方 代表代表t 时刻，粒子在空间时刻，粒子在空间r 处的单位体积中出现的概率，又称处

4、的单位体积中出现的概率，又称概率密度概率密度，这是波，这是波函数的物理意义。函数的物理意义。物质波又称概率波物质波又称概率波。4大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 在空间某处波函数的二次方跟粒子在该处出现的在空间某处波函数的二次方跟粒子在该处出现的概率成正比。如果在空间某处概率成正比。如果在空间某处 的值越大，粒子出的值越大，粒子出现在该处的概率也越大现在该处的概率也越大;的值越小，则粒子出现在的值越小，则粒子出现在该处的概率就越小。无论该处的概率就越小。无论 如何小，只要不为零，如何小，只要不为零，粒子总有可能出现在该处。粒子总有可能出现在该处。

5、电子双缝干涉图样电子双缝干涉图样单个粒子的出现是偶然事件单个粒子的出现是偶然事件,大量粒子的分布有确定的统大量粒子的分布有确定的统计规律。计规律。5大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 注意注意（2）归一化条件）归一化条件 （3）概率密度在任一处都是唯一、有限的）概率密度在任一处都是唯一、有限的,并在并在整个空间内连续。整个空间内连续。粒子在整个空间出现的概率为粒子在整个空间出现的概率为 1。（1）t 时刻时刻,粒子在粒子在 r 处处 dV 内出现的概率内出现的概率6大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 二

6、、二、薛定谔方程薛定谔方程 1926年年薛定谔提出了适用于低速情况下的薛定谔提出了适用于低速情况下的,描述微描述微观粒子在外力场中运动的微分方程，称为观粒子在外力场中运动的微分方程，称为薛定谔方程薛定谔方程。薛定谔方程是量子力学的基本方程薛定谔方程是量子力学的基本方程，是关于，是关于r 和和 t 的线性偏微分方程。的线性偏微分方程。其中，其中，V=V(r,t)是粒子的势能。是粒子的势能。7大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 粒子在稳定力场中运动，势能粒子在稳定力场中运动，势能V、能量、能量 E 不随时不随时间变化，粒子处于定态，波函数写为间变化，粒

7、子处于定态，波函数写为定态薛定谔方程定态薛定谔方程若若粒子在一维空间运动，则粒子在一维空间运动，则8大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 在微观粒子的各种定态问题中，将势能函数在微观粒子的各种定态问题中，将势能函数 V(r)的具体形式的具体形式如，如，氢原子中的电子氢原子中的电子 一维线性谐振子一维线性谐振子 代入薛定谔方程代入薛定谔方程,可以求得定态波函数可以求得定态波函数,同时也就同时也就确定了概率密度的分布以及能量和角动量等。确定了概率密度的分布以及能量和角动量等。9大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基

8、础 讨论讨论 波函数的合理解应满足条件：波函数的合理解应满足条件：10大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 三、一维无限深势阱中的粒子三、一维无限深势阱中的粒子设粒子沿设粒子沿 x 轴作一维运动，势能函数为轴作一维运动，势能函数为 o a xV(x)势能曲线势能曲线 束缚于金属内的自由电子只束缚于金属内的自由电子只能在金属内运动，而不能逃逸出能在金属内运动，而不能逃逸出金属表面，可以近似地认为金属金属表面，可以近似地认为金属内的自由电子在一维无限深势阱内的自由电子在一维无限深势阱内运动。内运动。11大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章

9、章 量子物理基础量子物理基础 薛定谔方程薛定谔方程 令令 则则 方程通解方程通解 利用边界条件利用边界条件 x=0，,则则 B=0。12大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 再利用边界条件再利用边界条件 x=a，,则则 一般来讲一般来讲 A 0,只有只有 sin ka=0。或或 有有 能量能量 n 为主量子数，表明粒子的能量是量子化的。为主量子数，表明粒子的能量是量子化的。13大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 波函数波函数 由于粒子被限制在势阱内运动由于粒子被限制在势阱内运动,所以所以 得得 波函数波函数 概率密度概率密度 14大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 势阱内波函数是传播方向相反的两列相干波叠加势阱内波函数是传播方向相反的两列相干波叠加而成的驻波。而成的驻波。波长波长 满足条件满足条件 15