§ 3. Нормировка волновых функций свободной частицы

Вывод формулы для ядра в случае свободной частицы, приведенный в задаче 4.11, неудовлетворителен по двум причинам, которые связаны между собой. Во-первых, понятие суммы по различным состояниям и, использованной в выражении (4.62), не удовлетворительно, если состояния принадлежат непрерывному спектру, что имеет место в случае свободной частицы. Во-вторых, волновые функции для свободных частиц (плоские волны], хотя и являются ортогональными, однако не могут быть нормированы, так как

и не выполнено условие равенства (4.47), которое применялось при выводе выражения (4.62). Оба эти пункта можно одновременно исправить чисто математическим путем. Возвратимся к разложению произвольной функции по собственным функциям :

               (4.65)

и учтем, что все или часть состояний могут принадлежать к непрерывному спектру, так что часть суммы по  следует заменить интегралом. Можно математически строго получить корректное выражение для ядра , аналогичное выражению (4.62), но применимое также и в том случае, когда состояния находятся в непрерывной части спектра.

Нормировка на конечный объем. Многие физики предпочитают другой, менее строгий подход. То, что они делают, заключается в некоторой модификации исходной задачи, причем результаты (в их физическом смысле) изменятся несущественно, однако все состояния оказываются дискретными по энергии и поэтому все разложения принимают вид простых сумм. В нашем примере этого можно достичь следующим образом. Мы рассматриваем амплитуду вероятности перехода из точки  в точку  за конечное время. Если эти две точки находятся на некотором конечном расстоянии друг от друга и разделяющий их промежуток времени не слишком велик, то в амплитуде заведомо не будет сколько-нибудь заметных различий от того, является ли электрон действительно свободным или предполагается помещенным в какой-то очень большой ящик объемом  со стенками, расположенными очень далеко от точек  и . Если бы частица могла достичь стенок и вернуться назад за время , это могло бы сказаться на амплитуде; но если стенки достаточно удалены, то они никак не повлияют на амплитуду.

Конечно, это предположение может стать неверным при некотором специальном выборе стенок; например, если точка  будет находиться в фокусе волн, вышедших из точки  и отраженных от стенок. Иногда по инерции допускают ошибку, заменяя систему, находящуюся в свободном пространстве, системой, расположенной в центре большой сферы. Тот факт, что система остается точно в центре идеальной сферы, может давать некий эффект (подобно появлению светлого пятна в центре тени от совершенно круглого предмета), который не исчезает, даже если радиус сферы стремится к бесконечности. Влияние поверхности было бы пренебрежимо малым в случае стенок другой формы или для системы, смещенной относительно центра этой сферы.

Рассмотрим сначала одномерный случай. Волновые функции, зависящие от координаты, имеют вид , где  принимает оба знака. Какой вид будут иметь функции , если область изменения  ограничить произвольным интервалом от  до ? Ответ зависит от граничных условий, определяющих значения  в точках  и . Простейшими с физической точки зрения являются граничные условия в случае стенок, создающих для частицы сильный отталкивающий потенциал, ограничивая тем самым область ее движения (т. е. при идеальном отражении). В этом случае в точках  и  . Решениями волнового уравнения

,                    (4.66)

соответствующими энергии  в области , будут экспоненты и  или любая их линейная комбинация. Как , так и  не удовлетворяют выбранным граничным условиям, однако при  (где  - целое число) требуемыми свойствами обладает в случае нечетного  их полусумма (т. е. ), а в случае четного  - деленная на  их полуразность (т. е. ), как это схематически изображено на фиг. 4.1. Таким образом, волновые функции состояний имеют вид синусов и косинусов, а соответствующие им энергетические уровни дискретны и не составляют континуума.

Фиг. 4.1. Вид одномерных волновых функций, нормированных в ящике.

Показаны первые четыре из них. Энергии соответствующих уровней равны , ,  и . Абсолютное значение энергии, которое зависит от размеров нашего фиктивного ящика, несущественно для большинства реальных задач. То, что действительно имеет значение, - это соотношение между энергиями различных состояний.

Если решения записать в виде  и , то они будут нормированы, поскольку

.                   (4.67)

Сумма по всем состояниям является суммой по . Если мы рассмотрим, например, синусоидальные волновые функции (т. е. четные значения ), то при небольших значениях  и очень большой величине  (стенки далеки от интересующей нас точки) соседние по номерам  функции различаются весьма незначительно. Их разность

                   (4.68)

приблизительно пропорциональна малой величине . Поэтому сумму по  можно заменить интегралом по . Так как допустимые значения  расположены последовательно с интервалом , в промежутке  расположено  состояний. Все это применимо также и к состояниям с косинусоидальной волновой функцией, поэтому во всех наших формулах мы можем заменить суммы интегралами

,             (4.69)

не забывая, что в конце нужно сложить результаты для обоих типов волновых функций, а именно  и .

Часто бывает неудобным использовать в качестве волновых функций  и , и более предпочтительными являются их линейные комбинации

 и .

Однако, вводя ограниченный объем , мы вынуждены использовать синусы и косинусы, а не их линейные комбинации, потому что при заданном значении  решением будет лишь одна из этих функций, а не обе сразу. Но если пренебречь малыми погрешностями, являющимися следствием таких небольших различий в значениях , то мы можем рассчитывать на получение правильных результатов и с этими новыми линейными комбинациями. После нормировки они принимают вид  и . Поскольку волну  можно рассматривать как волну , но с отрицательным значением , наша новая процедура, включая объединение двух типов волновых функций, сводится к следующему практическому правилу: взять волновые функции свободной частицы , нормировать их на отрезке длины  изменения переменной (т. е. положить ) и заменить суммы по состояниям интегралами по переменной  таким образом, чтобы число состояний со значениями , заключенных в интервале , было равно , а само  изменялось от  до .

Периодические граничные условия. Иногда подобный экскурс к косинусам и синусам, а затем обратно к экспонентам удается обойти с помощью следующего довода. Так как введение стенки является искусственным приемом, то ее конкретное положение и соответствующее граничное условие не должны иметь какого-нибудь физического значения, если только стенка достаточно удалена. Поэтому вместо физически простых условий  мы можем использовать другие, решениями для которых сразу окажутся экспоненты . Таковыми условиями являются

                   (4.70)

и

.                (4.71)

Их называют периодическими граничными условиями, потому что требование периодичности  с периодом  во всем пространстве привело бы к тем же самым условиям. Легко проверить, что функции  являются нормированными на отрезке  решениями при условии, что , где  - любое целое (положительное или отрицательное) число или нуль. Отсюда непосредственно следует правило, сформулированное выше.

Что происходит в случае трех измерений, мы можем понять, если рассмотрим прямоугольный ящик со сторонами, равными , , . Используем периодические граничные условия, т. е. потребуем, чтобы значения волновой функции и ее первой производной на одной грани ящика были симметрично равны их значениям на противоположной грани. Нормированная волновая функция свободной частицы будет представлять собой произведение

,                    (4.72)

где  - объем ящика, и допустимыми значениями будут ,  и  (, ,  - целые числа). Кроме того, число решений со значениями , , , лежащими соответственно в интервалах , , , равно произведению

.                 (4.73)

Другими словами, мы использовали плоские волны, нормированные в объеме . Число состояний в объеме  (дифференциальном объеме -пространства) равно .

Применим это к задаче 4.11 и вспомним установленную в § 1 гл. 3 связь между импульсом и волновым числом . В выражении (4.64) мы должны сделать два изменения. Во-первых, поскольку волновыми функциями у нас были , в то время как теперь мы должны использовать , нужно ввести добавочный множитель . [Выражение (4.64) содержит произведение двух волновых функций.] Во-вторых, символ суммы  надо заменить на интеграл . Все это оправдывает то, что было проделано в § 2 гл. 4, а также результаты вывода в задаче 4.11.

Следует отметить, что множители  сокращаются, как это и должно быть, так как при  ядро  не должно зависеть от размера ящика.

Некоторые замечания о математической строгости. У читателя при виде того, как в конце вычислений объем  сокращается, может возникнуть одна из двух реакций: либо удовлетворение от того, что он сокращается, как это и должно быть, поскольку стенки ни на что не влияют, либо недоумение, почему все делается так нестрого, «грязно» и запутанно, с помощью стенок, которые не имеют никакого реального смысла, и т. д., когда все это можно было бы выполнить намного изящнее и математически строже без всяких стенок и тому подобных вещей. Тип такой реакции зависит от того, мыслите ли вы физически или же математически. По поводу математической строгости в физике между математиками и физиками возникает много недоразумений, поэтому, быть может, уместно дать оценку каждому методу: рассуждениям с ящиком и математически строгому рассмотрению.

Здесь, конечно, содержится более тривиальный вопрос: какой метод для нас более привычен, т. е. требует минимума новых знаний? Прежде чем подсчитывать число различных состояний в ящике, большинство физиков думали прежде всего именно об этом.

Наряду с этим математически строгое решение может быть нестрогим с физической точки зрения; иначе говоря, возможно, что ящик существует на самом деле. Им может быть не обязательно прямоугольный ящик, ведь не часто оказывается, что эксперименты ставят под звездами; чаще их проводят в комнате. Хотя физически представляется вполне разумным, что стенки не должны влиять на опыт, тем не менее такую постановку задачи надо рассматривать как идеализацию. Удаление стенок на бесконечность ничем не лучше, чем замена их достаточно далекими идеальными зеркалами. В первом случае математическая строгость также нарушается, поскольку реальные стенки находятся не на бесконечности.

Подход с привлечением удаленных стенок справедлив и строг настолько же, насколько оправдан. Он обладает несколькими преимуществами. Например, когда объем в заключительных формулах сокращается, мы видим, что несуществен по крайней мере один из аспектов идеализации - насколько стенки удалены. Этот результат интуитивно еще более убеждает нас в том, что истинное расположение реальной окружающей обстановки может быть несущественным. Наконец, полученная формула очень полезна, когда мы действительно имеем случай конечных размеров. Например, в гл. 8 мы воспользуемся ею, чтобы подсчитать число различных звуковых волн в большом блоке вещества прямоугольной формы.

С другой стороны, преимуществом математически строгого подхода является упразднение в сущности ненужной детали, которая не входит в результат. Хотя введение стенок позволяет кое-что узнать о том, почему же они все-таки ни на что но влияют, тем не менее можно убедиться в справедливости этого, не вникая при этом в детали.

Задача о нормировке волновых функций представляет собой довольно частный пример, но он иллюстрирует главное. Физик не может понять осторожности, проявляемой математиком при решении идеализированной физической задачи. Он знает, что реальная задача намного сложнее. Она уже упрощена с помощью интуиции, которая отбрасывает несущественное и аппроксимирует то, что остается.