斯坦福大学量子力学学习笔记——5.4本征方程和本征能量
admin
2023-06-20 05:40:27
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上一节求出了粒子在箱子中的波方程解如下所示:



因为n只能取正整数,因此我们能量的取值不是连续的为 ,我们将n的取值称为本征值(eigenvalues), 的取值叫做本正能量(eignenergies),对应n的波方程称为本征函数(eigenfunctions)。

简并(degeneracy)

再此我们要介绍一个概念叫做简并(degeneracy),定义为:

对应同一个本征值,有超过一个的本征方程,此时波函数存在简并。对应的简并方程个数称为 the degeneracy,比如一个本征值有三个本政方程的解,那么其简并性为3。我们在之后的课程将详细讨论,简并性。

奇偶性(parity)

波函是具有对称性的我们在势阱中画一条平分线BB',

在n=1时,BB’左右两测的本征波函数曲线是镜面对称(mirror imgae),我们将这种镜像对称称为偶对称(even parity)或偶函数(even function),n=3的时候也是欧对称,当n为奇数时的本征函数都为欧对称。

在n=2时,BB’左右两测的本征波函数曲线是反向对称(inverted imgae),函数的取值,是另一次镜像对称位置取值的负数。我们将这种反向对称称为奇对称(odd parity)或奇函数(even function),n=4的时候也是奇对称,n为偶数时的本征函数都为奇对称。



这种奇偶性在数学处理上会让我们节省很大的力气,因为有时积分会左右抵消,因此极大减少计算量。

总结

我们现在总结一下第五章,我们求解一一个粒子在无限深势阱里面的波函数,结果由于边界限制条件,能量出现了量子化,即能量的取值不连续,我们将不同能量的取值称为本正能量,每一个本征能量有对象的本征波函数。

这和我们的宏观世界有什么不同呢,我们从以下几个角度考虑:

1.粒子的能量不在连续,而是出现了分立的取值

2.粒子的可能能量取值出现了最小值,即当本征值为1的时候,粒子的能量最小 ,粒子的能量永远不可能小于这个值,我们将这个能量称为0点能量(zero-point energy)。这是由于量子限制效应决定的,当 减小时, 也在减小。这种势能在空间尺寸上的限制,导致在势阱中的例子存在最小能量,并且限制的尺寸越小,粒子的能量越大。这种量子限制效应(Quantum Condinement)没有经典的现象去对应,但在量子力学中却十分常见,因此我们在这里需要加强理解。

3.粒子在箱子里不是均匀分布的。这在经典力学中也没有对应的例子。不仅如此,量子力学中同一粒子对于不同的本征值,粒子的分布是不同的。比如对于n=1,我们最有可能在中心点M找到粒子,而对于n=2时,在该点M'找到粒子的概率为0.



并且在空间上存在某些点波函数是0,即存在概率是0。这中本征函数的分布,有点类似于驻波(standing wave)。即使如此,也不存在拥有这种性质的经典系统。

4 数量级物理概念,现在我们假设一个电子被限制在0.5nm大小的箱子内(晶格常数一般在0.1nm的数量级)我们可以计算出,最小能量的大小为0.15eV左右:



第二阶能量和第一阶能量的差值约为 ,这个数值和一般原子第一能级和第二能级的差值相近。

通过这个求解,我们了解了量子力学和我们所理解的经典世界的不同,我们首先接受了的德布罗意的假设,然后带入了亥姆霍茨方程,得到了薛定谔方程。之后我们计算了一维无限深势阱波函数求解,根据边界条件,求得的粒子的能量取值是分立的,即能量本征值。根据求得的结果,我们知道粒子的能量存在零点即 ,这个能量不是势阱中的最低能量,而是和限制尺寸有关的,尺寸越小,零点能量越大。并且波函数有多个本征能量,不同的本正能量对应的本征函数不同,并且粒子在势阱中的存在概率存在零值。

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