One dimensional steady state problem

给出一个定态薛定谔方程:

[−ℏ22m∇2+V(r→)]ψ(r→)=Eψ(r→)

其中含有波函数,粒子能量,势能,粒子相对论质量。其中对于一个固定(状态)的粒子,只有E和ψ是变量。同时可以看出E和ψ是一一对应的关系,即一个本征能量对应一个本征(波)函数。

#一维无限深势阱
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在一维无限深势阱中,由于在[0,a]区间外势能无限大,粒子在该区间内出现的概率显然为0;而在[0,a]中,由于V=0,因此薛定谔方程变为:

−ℏ22m∂2ψ(r→)∂x2=Eψ(r→)

移项得:

d2ψdx2=K2ψK=2mEℏ2

其通解为:

ψ(x)=AsinKx+BcosKx

式中A,B为常数。
随后根据波函数的标准化条件,对系数A,B,K求解。对于本题:波函数应连续,因此:

x=0时ψ(0)=Bcos0=0x=a时ψ(a)=AsinKa=0

方程的解为:ψ(x)=AsinnπaxK=nπa
对波函数进行归一化,求得A=2a
最后代入薛定谔方程求出能量E=n2h28ma2这说明量子化直接源于薛定谔方程,无需再引入别的量子化条件。

而能级间隔ΔEn=(2n+1)h28ma2.这说明能级差随着n的增大而减少,当n⟶∞时ΔE⟶0,可以认为此时能量是连续,的这与Bohr的结论一致。

#一维有限深势阱
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在势阱内与之前类似:

−ℏ22m∂2ψ(r→)∂x2=Eψ(r→)d2ψ(x)dx2+k2ψ(x)=0⟹ψ(x)=Asin(kx+ϕ0)

在势阱外,如果电子的能量E大于阱深U0,则:

d2ψ(x)dx2+2mℏ2[E−U0]ψ(x)=0

定义第二项的系数为k″22mℏ2[E−U0],则:

d2ψ(x)dx2=−k″2ψ(x)⟹ψ(x)∼e±ik″x

e指数为虚数,由此可得:

∣ψ(x)∣2=Const

这说明阱外电子类似于自由粒子不受束缚。

在势阱外,如果电子的能量E小于阱深U0,则:

d2ψ(x)dx2+2mℏ2[U0−E]ψ(x)=0

定义第二项的系数为k′22mℏ2[U0−E],则:

d2ψ(x)dx2=−k′2ψ(x)⟹ψ(x)∼e±ik′2xψ(x)=Asin(kx+ψ0)

利用波函数连续条件([Lnψ]′=ψ′ψ连续)可得:ψ0=−kL/2或−kL/2+π/2.
因此:k′k=−cot(kL2)或者k′k=tan(kL2)

首先考虑第二种情况,即k′k=tan(kL/2)>0
由于k′2+k2=2mU0/ℏ2≡k02
1cos2(kL/2)=1+tan2(kL/2)=k02k2⟹∣cos(kL/2)∣=kk0
上述方程仅有一个变量k=2mEℏ
化简等式:

∣cos(kL/2)∣=kk0∣cos(2mEn2ℏ)∣=EnU0

等式两边同时去arcos,即cos−1,得:

πn+2mEnLℏ=cos−1EnU0

该方程的解即为:
Pasted image 20240413204059.png|400
其中P点是方程的解。

对于第一种情况:k′/k=−cot(kL/2)>0可得:∣sin(kL2)∣=kk0
与第一个情况同理:

kL2=nπ±sin−1(kk0)2mEmLℏ=2πn−2sin−1EnU0n=1,2,3⋯

上图中I点为该方程的解。[1]

上面两式U0取极限U0→∞

En=ℏ2π22mL2n2n=1,2,3,⋯

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#有限深势阱与无限深势阱的区别

  1. 粒子在有限深势阱中可以穿透势阱壁垒
  2. 在有限深势阱中粒子在任意态时的能量都小于无限深势阱(无限深势阱中的能量被限制在势阱中,但有限深势阱中的能量部分分布在势垒里)
  3. 能量比势阱深度大的粒子将不受限制,其能量也不量子化。

#量子隧穿效应
当粒子能量低于势垒高度且势垒厚度较小时,处于势阱中的粒子有一定概率穿透势阱。

考虑粒子在一维方势垒的穿透问题:
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由[−ℏ22m∇2+V(r→)]ψ(r→)=Eψ(r→)⟶−ℏ2d2ψ2mdx2+V(x)ψ=Eψ(E<V=U0)
因此上图Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ分区的薛定谔方程为:

{−ℏ2d2ϕ12mdx2=Eϕ1−ℏ2d2ϕ22mdx2+U0ϕ2=Eϕ2−ℏ2d2ϕ32mdx2=Eϕ3⟹{d2ϕ1dx2=−2mEℏ2ϕ1=−k12ϕ1⟹ϕ1=A1eik1x+B1e−ik1xd2ϕ2dx2=2mℏ2(U0−E)ϕ2=k22ϕ2⟹ϕ2=A2ek2x+B2e−k2xd2ϕ3dx2=−2mEℏ2ϕ3−k32ϕ3⟹ϕ3=A3eik3x+B3e−ik3x

其中:第一个式子中A1,B1项分别代表入射波和反射波,A1简单起见设为1;第三个式子中A3为透射波,B3因为不存在反射波因此为0。因此由波函数的连续性我们有:

{x=01+B1=A2+B2ik1−ik1B1=k2A2−k2B2x=aA2ek2a+B2e−k2a=A3eik3aA2k2ek2a−B2k2e−k2a=iA3k3eik3a

根据这四个方程可以求出B1,A2,B2,A3.
定义透射系数T=A32与反射系数R=B12,容易验证R+T=1[2]

当势垒壁较厚时,k2a≫1,shk2a≈ek2a/2,T=16k12k22(k12+k22)2e−2k2a=16E(U0−E)U02e−22m(U0−E)a/ℏ(透射率指数衰减).

由各区波函数得到的结果如图
Pasted image 20240414073347.png|450

结论:P∝e−22m(U0−E)a/ℏ[3]
对于透射波强度削弱为入射波+反射波强度的1e时,这个距离称为穿透深度d

d≈ℏ22m(U0−E)

应用:扫描隧道显微镜

下一节:力学量和算符


  1. 上式与讲义中式子不符(差了2,不知道为什么)同时,下式未能由上式推导出,代考证。 ↩︎

  2. 即两者的概率加起来为1,即为A1. ↩︎

  3. 苏联科学家伽莫夫首先导出此公式,并用此公式解释原子核的α衰变。 ↩︎