定态薛定谔方程解的算例课件

1、2.5 定态薛定谔方程解的算例定态薛定谔方程问题，就是求解势能不随时间改变条件下的薛定谔方程，就是求解哈密顿方程在一维条件下求解微分方程，需要利用一定的边界条件求出本征函数的表达式和 本征值E的数值目的：通过对解的讨论，了解量子力学体系的特征及其 物理意义1、一维简谐振子势势能势能函数是一条抛物线哈密顿方程为：谐振子势能为V(x)、质量为m的粒子由于待定，变系数的常微分方程谐振子的角频率其通式为：前5个厄米多项式为：零点能 所以谐振子的能量本征值为:由这也意味着，量子束缚态的动能不可能为零，与经典的情况不相同！谐振子的几率分布 在任一能级上，势能曲线以外概率密度并不为零微观粒子运动的特点：它在

2、运动中有可能进入势能大于其总能量的区域。这在经典理论看来是不可能出现的！例题1： 设想一个质量为m=1g的小球悬挂在一个小轻弹簧下做振幅为 A=1mm的简谐振动。弹簧系数为k=0.1N/m。按量子理论计算： 1）此弹簧谐振子的能级间隔有多大？ 2）与它现有的振动能量对应的量子数是多少？例题2：HCL气体能强烈吸收波长为3.465um的红外辐射。这是HCL分子振子吸收入射光子能量的结果。 求： 1）振子的振动频率； 2）绝对零度时一摩尔HCL气体的总振动能量。2、一维无限深势阱如图，中，势能为0；、中，势能为不分区的哈密顿方程I区中IIIIIIE:动能0通解为目的：了解势井中量子状态的特点，分立

3、能级、零度能等。为无限深势阱中势能是常量，粒子不受力做自由运动令II、III区中哈密顿方程为：其形式上的通解：依据波函数的边界条件表明：势阱外的波函数为0由于就有上式该齐次方程非零解的条件：势井中波函数 ，在阱壁上为0，所以边界条件为：即有因而有即而势井中粒子的能量本征值1）势阱内粒子能量是量子化的，是势阱中波函数的共同点 结论：对波函数归一化：当 时，依据边界条件，有归一化条件就是粒子在整个空间内出现的总概率为1偶宇称奇宇称粒子的能量本征函数与坐标关系由上述概率密度与坐标的关系我们可以看到：1）这里由粒子的波动性给出的概率密度的周期性分布与经典粒子分布完全不同，按经典理论，粒子在阱内来来回回

4、自由运动，在各处的概率密度应该是相等的，而且与粒子的能量无关。2）与经典粒子不同的第二点。由量子粒子的最小能量为：这符合不确定关系，因为量子粒子在有限空间内运动，其速度不可能为零，而经典粒子可能处于静止的能量为零的最低能态3）由粒子的能量公式，可得到势阱中粒子的动量:相应地，粒子的德布罗意波长为：该波长也量子化了，它只能是势阱长度两倍的整数分之一。这就类似于两端固定的弦中产生的驻波的情况。无限深势阱中粒子的每一个能量本征态对应于德布罗意波的一个特定波长的驻波!例题 在原子核 内的质子和中子可粗略的看成是处于无限深势阱中而不能逸出，它们在核中的运动也可以认为是自由的。按一维无限深势阱估算，质子从

5、第一激发态（n=2）到第二激发态（n=1）转变时，放出的能量是多少MeV?例题 根据叠加原理，几个波函数的叠加仍是一个波函数。假设在无限深势阱中粒子的一个叠加态是有基态和第一激发态叠加而成，前者的幅是1/2 ，后者的幅是 （这就意味着基态的基本概率是1/4，第一激发态的基本概率是3/4）。 试求这一叠加态的概率分布。3、阶跃势定义：势能在空间某一位置由一个值突然变 为另一个值的势场。粒子在阶跃势场中的运动在量子力学中，只需要求解薛定谔方程：a)对x0区域，V(x)=0X0区域要使 满足“有限”的要求，必须要求C=0。要使波函数连续，在x=0的位置必须要满足：b) x0 区域 V(x)=V0 薛

6、定谔可以写为：其通解为：如果这两个区域波函数满足物理条件，那么它一定是单值、有限和连续，否则就不满足波函数的标准条件。物理意义： X0，它们的概率密度为：在此区域随x的增大而随指数快速衰减，但在x=0的附近不为零。 表明，在X0的区域有一定的几率能够发现或找到粒子！由上式可知，出现这种几率只在x=0的很小的区域内，即它常称为：透入距离范围内才有显著的值，超过此范围将快速趋于零如何理解量子力学给出的这一结果？为什么粒子的动能可能有负值？在区（EV0）可以看做粒子进入该区域的典型深度，在该处发现粒子的概率已降为1/e。该距离我们可以认为是在此区域内发现粒子的位置不确定度。即这要归之于不确定关系！根

7、据不确定关系，粒子在这段距离内的动量不确定度为：粒子进入的速度可以认为是于是粒子进入的时间不确定度为：由此，按能量时间不确定关系式，粒子能量的不确定度为此时，粒子的总能量将是粒子在到达区域内，其动能的不确定度大于其名义上的负动能值。因此，该负动能只不过是被不确定关系“掩盖”了，它只是一种观察不到的“虚”动能。这和实验上能观察到的能量守恒并不矛盾。4、方势垒方势垒如图所示，哈密顿方程为通解通解方程同区，但这里无反射波，故 如果粒子是从势垒的左边入射，通解 中表示从左侧入射的波(粒子)表示碰撞器壁后被反射回去的波(粒子)由于在势垒右侧原来没有粒子，所以 B3 =0于是表示贯穿势垒后而透射过来的波(

8、粒子)可以计算出粒子流量，用几率流密度表示粒子从I区经过势垒进入III区，称作势垒贯穿或隧道效应。可以利用下述边界条件和波函数的条件确定：一阶微商连续粒子从I区经过势垒进入III区的穿透率还可用如下方法计算入射粒子的概率(几率)幅反射粒子的概率幅贯穿势垒的粒子的几率幅所以透射率和反射率可按下面的方法求出：通常只需计算向右运动的粒子。如果势垒的高度V0比入射粒子能量E大得多，或势垒较宽时，即物理意义：1）能量E小于势垒高度的粒子确实有一定的几率穿越势垒。透射系数T与势垒宽度a、(V0 E)和粒子质量有关2）随着势垒宽度a的增加，透射率T按指数衰减。若把上式简单看做主要是由指数部分决定的，于是如果

9、在势垒内部距表面距离为d处，几率衰减为表面的1/e，则d被定义为粒子在势垒中的穿透深度：例：试求入射电子能量为1ev，势垒高度为2ev，宽度为 的 几率。如果粒子是质子，求透射系数。解：由势垒宽度电子：质子：其质量是电子的1840倍，质子的质量约为940MeV例，一粒子质量为1kg，势垒的厚度a=10cm，V0-E=1eV，穿透几率约为： 几乎不能穿透！ 这说明对宏观物体来说，即便是总能量比势垒仅少1eV，其量子效应也是极其不明显的。 对质量轻的电子而言，隧道效应就变得十分明显了。经典量子聊斋志异中，蒲松龄讲述的故事，说一个崂山道士能够穿墙而过。虽是虚妄之谈，但从量子力学的观点来看，它还是有一

10、定道理的，只不过是概率“小”了些而已。利用量子隧道效应，可解释放射性原子核的粒子衰变现象如果一核半径为R，粒子在核内由于核力的作用，其势能很低。在核边界有一个因库仑力而产生的势垒。例如： 核，其库仑势垒可达35Mev，而这种核在粒子衰变过程中放出的粒子的能量 不过4.2Mev。理论计算表明这些粒子就是通过隧道效应穿透库仑势垒而跑出来的。粒子衰变解释热核反应所释放的核能是两个带正电的核，如 和 ，聚合时产生的。这两个带正电的核靠近时受到库仑斥力作用很难结合在一起。这个斥力作用就相当于一个高势垒，它们就是通过隧道效应而聚会到一起的。这些核的能量越大，它们要穿过的势垒厚度就越小，聚合的概率就越大。这

11、就是为什么热核聚变反应需要高达 的高温的原因。热核聚变解释黑洞的边界是一种物质（包括光），只能进不能出的“单向壁”。该单向壁对黑洞内的物质来说就是一个绝高的势垒。理论物理学家霍金(S.W.Hawking)认为黑洞并不是绝对黑的。黑洞内部的物质能通过量子力学隧道效应而逸出。但他估计这种过程很慢。一个质量等于太阳质量的黑洞温度约为 ，约需要 年才能完全“蒸发”消失。不过据信产生于宇宙大爆炸初期有些微型黑洞(质量大约是太阳的 倍) ，经过 年到现在已经蒸发完了。黑洞的解释扫描隧穿显微镜工作原理1981年瑞士苏黎世IBM公司的两位科学家宾宁(G.Bonning)和罗赫尔(H.Rohrer),研制成了一

12、种扫描隧穿显微镜(STM)可以精确观察材料表面结构，因而成了研究物理表面和其它实验的重要显微工具。由于这一卓越贡献，他们二人和电子显微镜的发明者鲁斯卡(E.Ruska)分享了1986年度的诺贝尔物理学奖。1988年我国科学家设计成了新型的STM，分辨率可达原子量级，图像质量到达当时国际水平。为进一步探索微观世界的奥秘提供了必要的物质基础。 通常，金属或介质中的电子，不能自由逸出表面，因为它的能量低于表面外的空间的势能(零)。而现在针尖与待测物之间距离极近，这空隙相当于一个高度有限而宽度很小的势垒。 在针尖与平面间加一个小于几伏的电压，在这电压下，针尖中的电子还不能越过“空隙”这一势垒进入平面，

13、但有一定的概率穿越势垒，形成“隧道电流”。 隧道电流的大小对势垒宽度(针尖到平面的距离)的变化非常敏感。当针尖沿平面扫描时，通过隧道电流的变化，便能描绘出平面高低变化的轮廓。STM分辨率极高，其横向分辨率达0.1nm,纵向为0.01nm，可分辨出单个原子。 STM技术不仅可用来进行材料的表面分析，直接观察表面缺陷，还可利用STM针尖对原子和分子进行操纵和移动，重新排布原子和分子。应用到生命科学中，可研究DNA分子的构形等。 隧道电流反馈传感器参考信号显示器压电控制加电压扫描隧道显微镜示意图ABdEU0U0U0电子云重叠ABU隧道电流id探针样品用隧道效应观察样品表面的微结构图象处理系统扫描探针

14、样品表面电子云d变 i变反映表面情况A-常数样品表面平均势垒高度(eV)d10操纵原子不是梦 “原子书法” 1994年中国科学院科学家“写”出的 平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米“原子和分子的观察与操纵” - 白春礼 插页彩图13硅单晶表面直接提走硅原子形成 2纳米的线条 几个重要的物理实验1、卢瑟福的粒子散射实验，证实了原子的核式结构2、弗兰克赫兹实验，证实原子内部分立能级的存在3、黑体辐射，光电效应实验证实了光具有粒子性4、Compton散射实验，证实了光的粒子性5、戴维孙革末实验，证实了电子的波动性卢瑟福的核式模型Bohr氢原子模型氢原子的光谱线系，类氢离子的光谱线系里德伯方程，光谱

15、项及其组合法则Bohr模型的三个基本假设由Bohr模型获得里德伯常数量子力学初步部分波粒二象性： de Broglie的物质波由波粒二象性获得束缚粒子的量子态；不确定关系；量子态薛定谔方程的含义、力学量的算符、力学量的平均值。哈密顿方程的本征值、本征函数。 内 容 提 要1、黑体辐射 普朗克量子假设：谐振子能量为n=1,2,3,普朗克热辐射公式：黑体的光谱辐射出射度斯特潘-波尔兹曼定律：黑体的总辐射出射度其中维恩位移定律：光谱辐射出射度最大时光的频率2、光电效应光子：光（电磁波）是由光子组成的。 每个光子的能量：每个光子的动量：光电效应方程：光电效应的红限频率：其中3.康普顿散射散射公式：康普顿波长(电子)：4.粒子的波动性德布罗意假设：粒子的波长5.海森伯不确定关系：它是波粒二象性的反映位置和动量不确定关系能量和