Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Общее утверждение квантовой теории заключается в том, что среднее значение любой физической величины $\boldsymbol{Q}$ находится по формуле где $\hat{Q}$ — оператор физической величины $\boldsymbol{Q}$. Аналогично для операторов $\hat{y}, \hat{z}, \hat{p}_{y}, \hat{p}_{z}$. Общее правило, позволяющее находить операторы других физических величин, таково: формулы классической физики для связи между величинами в квантовой теории следует рассматривать как формуль, связывающие операторы этих величин. Так, например, связь между квадратом импульса и квадратами его проекций в классической механике дается формулой Поэтому оператор квадрата импульса В результате получим где оператор $ и оператор полной энергии частицы — гамильтониан (его обозначают $\hat{H}$ ): Зная выражения операторов $\hat{p}^{2}, \hat{K}$ и $\hat{H}$, можно найти средние значения $\left\langle p^{2}\right\rangle$, $\langle K\rangle$ и $\langle E\rangle$ по формуле (5.5), если известна $\psi$-функция частицы. Пример. Найдем среднее значение кинетической анергии $\langle K\rangle$ частицы в состоянии $\psi(x)=\frac{1}{\sqrt{2 l}} \mathrm{e}^{\mathrm{i} k x}, k=p / \hbar$. Функция $\psi(x)$ нормирована в интервале $-l<x<l$, вне этого интервала $\psi(x)=0$. Согласно (5.8) как и должно быть. Но такой простой результат получается не всегда. Здесь это связано с тем, что в простой дебройлевской волне импульс и кинетическая энергия имеют вполне определенные значения. Средние значения данных величин совпадают с этими единственными их значениями. В соответствии с общим правилом оператор проекции момента импульса, например, на ось $Z$ имеет вид: В дальнейшем нам придется использовать этот оператор, но не в декартовой, а в сферической системе координат $(r, \theta, \varphi)$. В этой системе оператор $\hat{M}_{z}$, как показано в задаче 5.8 , имеет вид Заметим, что вид этого оператора похож на вид оператора $\hat{p}_{x}$. Это значит, что Полученное равенство не эквивалентно $E=K+U$. Действительно, в силу соотношения неопределенностей величины $K$ и $U$ не могут одновременно иметь определенные значения, поскольку $K$ зависит от импульса $p$, а $U$ — от координаты $x$. Формула (5.13) показывает, однако, что классическая связь сохраняется между средними значениями $E, K$ и $U$. Крнтерий наличия распределения. Установим связь между средним значением некоторой величины $Q$ и средним значением его квадрата $Q^{2}$, т. е. $\langle Q\rangle$ и $\left\langle Q^{2}\right\rangle$. Известно, что конкретное значение $Q$ может быть представлено как Найдем среднее значение $\left\langle Q^{2}\right\rangle$ : Здесь $\langle Q\rangle$ и $\langle Q\rangle^{2}$ — это просто числа. Их средние значения равны им самим. Среднее же $\langle 2\langle Q\rangle \Delta Q\rangle=0$, поскольку $\langle\Delta Q\rangle=0$. Отсюда следует, что Среднее значение положительной величины $(\Delta Q)^{2}$ не может быть отрицательным и обращается в нуль в единственном случае, когда все $\Delta Q=0$, т. е. когда нет никакого распределения, и наша величина $Q$ имеет единственное значение (точно определена). Собственные состояния. В предыдущей главе мы решали задачу о нахождении $\psi$-функций частицы в состояниях, где полная энергия имеет вполне определенные значения (в этом заключается суть квантования). Такие состояния и называют собственными. Одним из основных постулатов квантовой теории является утверждение, что состояние, в котором физическая величина $Q$ имеет определенное значение, описывается $\psi$-функцией, являющейся решением уравнения где $\hat{\boldsymbol{Q}}$ — оператор физической величины $\boldsymbol{Q}$. При нахождении $\langle Q\rangle$ мы заменили в подынтегральном выражении $\hat{Q} \psi$ на $Q \psi$ в соответствии с (5.16) и учли условие нормировки $\psi$-функции. Полученный результат очевиден, поскольку других значений $Q$ в этом состоянии нет. Таким образом, $\psi$-функции, являющиеся решением уравнения (5.16), действительно, описывают собственные состояния. Уравнения (5.16), вообще говоря, являются уравнениями в частных производных. Согласно математике, для однозначного решения таких уравнений нужны дополнительные ограничения, например, граничные и начальные условия. Условия же, которые накладывает квантовая теория на решения уравнения (5.16), имеют несколько иной характер: физический смысл могут иметь лишь такие решения, которые всюду конечные, однозначные, непрерывные и гладкие. Эти условия, как уже говорилось, называют естественными или стандартными. Пример. Найдем с помощью уравнения (5.16) $\psi$-функцию состояния, в котором проекция импульса на ось $X$ имеет определенное значение $p_{x}$. Этому уравнению и всем необходимым условиям удовлетворяет функция которая является координатной частью плоской волны де-Бройля. Функции, являющиеся решением уравнения (5.16) и удовлетворяющие естественным условиям, называют собственными функциями оператора $\hat{Q}$. Те значения $Q$, при которых такие решения существуют, называют собственными значениями физической величины $Q$. При этом набор собственных значений для оператора $\hat{Q}$ определяет значения $Q$, которые могут быть найдены из опыта при измерении данной физической величины. Набор собственных значений физической величины $\boldsymbol{Q}$ иногда оказывается непрерывным, а иногда дискретным. Опыт показывает, что в последнем случае измеренные значения $Q$ действительно оказываются дискретными и совпадают с собственными значениями $\boldsymbol{Q}$. Примером дискретности в микромире являются оптические спектры атомов, которые состоят из ряда отдельных тонких линий. Уравнение (5.16) является обобщением правила квантования энергии, рассмотренного в предыдущей главе, на случай любых физических величин. Чтобы убедиться в этом, подставим (5.9) — оператор $\hat{H}$ в (5.16): Это уравнение Шредингера (4.3) для стационарных состояний. Поэтому сокращенно его можно записать в символической форме отличающейся от (5.16) только обозначениями.
|
1 |
Оглавление
|