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§6.1黑体辐射和普朗克的量子假设§6.2光电效应和爱因斯坦的光子理论§6.3康普顿效应§6.4玻尔的氢原子理论§6.5微观粒子的波动性§6.6波粒二象性分析§6.7不确定关系§6.8波函数和概率幅§6.9薛定谔方程§6.10薛定谔方程应用举例第六章量子物理基础(续)第三十讲1933年度诺贝尔物理学奖薛定谔1932年度诺贝尔物理学奖海森堡
2.微观领域的基本方程是什么?问题:3.薛定谔方程应满足什么要求?4.在什么条件有定态薛定方程?6.用薛定谔方程解决问题的思路是什么?5.薛定谔方程能解决什么问题?……1.采用什么方程求出非自由粒子的波函数?7.怎么求出微观粒子最可能出现的位置?
§6.9薛定谔方程■历史背景1924年德布罗意指出了微观粒子具有波动性---德布罗意物质波1925年戴维孙实验证实了电子具有波动性1925年底在一次物理年会上(德)德拜提出:即然电子具有波动性,就必然有波动方程,应该认真研究.1926年上半年(德)薛定谔找到了这个波动方程薛定谔创建波动方程的思路:分析力学中的哈密顿原理(变分原理)是物理学中最普遍的根本原理.当科学研究遇到新情况时,往往要构建新的拉氏函数,然后由哈密顿原理出发去演绎出新的运动方程。
哈密顿原理?力学→牛顿定律几何光学→费马原理热力学→最小熵产生原理量子力学→?薛定谔从哈密顿-雅可比方程出发,联想到统计物理学中的熵表达式=klnΩ,则试探性地将其中的哈密顿作用量S写成(构建)对氢原子(势能=-e2/r),运用变分原理得到波动方程:ψ:波函数可推出:S:哈密顿作用量E:系统能量q:广义坐标H:哈密顿函数称此为定态薛定谔方程这正是氢原子能级波动方程找到了但是,ψ的物理意义是什么?连薛定谔本人也不清楚!说明构建成功了?
■薛定谔方程1926年(德)玻恩给出了波函数的物理解释--波函数的统计诠释:描述粒子运动状态的波函数ψ(x,y,z,t),则表示粒子在时刻t,在x,y,z附近单位体积内出现的概率.ψψ*=概率密度波函数ψ代表微观粒子的概率波(概率幅)重要!!!波函数有了物理意义后,后辈物理学家从如下两种途经也创建出了薛定谔方程(注:不是推导):⑴从基本物理概念出发,创建薛定谔方程;⑵从概率计算物理量平均值出发,创建薛定谔方程.
⑴从基本物理概念出发,创建薛定谔方程薛定谔方程应满足如下要求:①方程应含有波函数对时间的一阶导数以便反映出微观粒子运动状态随时间的变化.②方程应是线性的以便反映出波动性的普遍规律---波的叠加原理.③方程应与Ek=p2/(2m)相适应因为方程属非相对论的.④方程中的系数不应包含状态参量如能量E、动量p等因为若含有了这些参量,则方程只能描述具有该参量值的特定系统,从而失去了普遍性.
※先找出自由粒子的波动方程己知自由粒子波函数根据要求①,ψ对时间t求一阶导数有:根据要求③,ψ对空间变量x,y,z求二阶导数有:∴无ψ的平方以上项→线性→满足要求②系数无状态参量E、p→满足要求④自由粒子的薛定谔方程
这就是非自由粒子的薛定谔方程∴※找出非自由粒子的波动方程设非自由粒子在保守力场中,其势能为U(x,y,z,t),粒子能量E为:利用非自由粒子在力场U(x,y,z,t)中的波函数满足的波动方程此方程可视作用在波函数ψ上而得到能量算符动量算符
⑵从概率计算物理量平均值出发,创建薛定谔方程.☆坐标平均值由概率论知,电子出现x的平均值x为:(为方便考虑一维)若物理量F是x的幂函数,则F(x)的平均值F为:☆动量平均值设电子出现坐标x处的概率密度----ψψ*设电子在动量空间为px的概率密度-φφ*由概率论知,电子动量的平均值px为:(注:在动量空间)若物理量G是px的幂函数,则G(px)的平均值G为:
实测的是坐标概率密度ψψ*.因此需要进行φ?ψ转换由付里叶变换:∴ψ(x,t)?φ(px,t)有一一对应关系坐标空间波函数动量空间波函数φ(px,t)与ψ(x,t)一样,只是在动量空间里。
将电子动量平均值从动量空间计算转化到坐标空间计算同样可证:若物理量G是px的幂函数,则G(px)的平均值G为:对于三维有:哈密顿算子可见只需替换即可动量算符
☆能量平均值采用同样的方法有:☆找出非自由粒子的薛定谔方程能量空间波函数φ由粒子的能量与动量的关系对两边取平均值有能量算符∴非自由粒子的薛定谔方程
■定态薛定谔方程若U(r,t)=U(r)(即不含时间t),则可令ψ(r,t)=ψ(r)f(t)代入薛定谔方程并整理有:=E∵等式左右两边分别是独立变量t、r的函数∴E是常量----定态薛定谔方程若U(r,t)=U(r)(即不含时间t
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