Принцип неопределенности Гейзенберга

В классической механике предполагалось, что координата точки и ее импульс могут быть определены одновременно с любой точностью. Попробуем понять, какие трудности возникают, если пытаться применить классические понятия к объекту, обладающему двойственной природой (частица-волна). Рассмотрим так

называемый пакет волн. Если сложить несколько волн с различными частотами, распространяющиеся в направлении х, получится сложная несинусоидальная волна [xi]. Если будет складываться очень большое число волн со всевозможными длинами, образуется волновой пакет шириной D х (см.рис.). Монохроматическая волна имеет определенную длину волны и, соответственно импульс р = h / l = const,

D р ® 0, а протяженность ее D х ® ¥. Очень узкий волновой пакет содержит множество волн, количество которых в пределе стремится к бесконечности и разброс импульсов в нем D р ® ¥ [xii], а протяженность

D х ® 0. Т.о., мы приходим к выводу, чем более точно локализован волновой пакет, тем больше оказывается неопределенность в его импульсе.

Гейзенберг выдвинул принцип неопределенности: «Существует принципиальное ограничение на точность, с которой могут быть определены физические величины, не связанное с точностью приборов». Он предложил также формулы, смысл которых в следующем.

соотношения неопределенностей для координаты и импульса [xiii] «Если измеряется координата х частицы и одновременно проекция ее импульса в направлении х - (рх), то минимальные ошибки при их одновременном измерении связаны этими соотношениями»

Существует также соотношение неопределенности, касающееся энергии и времени.

соотношения неопределенностей для энергии и времени. «Если атомная система обладает энергией Е в течение времени t, то одновременное измерение этих величин возможно лишь с точностью, определяемой данным соотношением»

Из соотношений неопределенностей следует, что чем точнее определяется одна величина, тем менее точно – другая при одновременном их измерении,. Так как очень мало, то эти ограничения существенны только в атомных масштабах.

С помощью соотношений неопределенностей можно дать простые объяснения фактам, установленным другими путями. Например.

1). Входит ли электрон в состав атомного ядра?

D х = 10-14 м	Размер ядра по порядку величины
	Предположим, что электрон находится в ядре. Найдем неопределенность в его импульсе и примем ее равной самому импульсу[xiv]
МэВ	кинетическая энергия релятивистского электрона в ядре (считаем, что он движется как квант со скоростью с)
Из опытов по радиоактивному бета-распаду известно, что энергии вылетающих из ядра электронов значительно меньше. Следовательно, в ядре «готовых» электронов нет; электрон образуется в ядре при превращении нейтрона в протон.

2). Оценим с помощью соотношения неопределенностей энергию связи электрона в атоме водорода.

D х =0,5 10-10 м	размер атома Н
	импульс электрона, вычисленный с помощью соотношения неопределенности
эВ	Энергия нерелятивистского электрона (1 эВ=1,6×10-19 Дж). По порядку величины совпадает с энергией, вычисленной по теории Бора

3). Найдем предел точности, с которой можно определить частоту и длину волны излучаемого света

	время возбужденного атома, спустя это время электрон возвращается на нижележащую орбиту, и атом испускает квант света с энергией Е
Гц	предел точности определения частоты излучения, найденный с помощью соотношения неопределенности
	предел точности измерения длины световой волны для зеленого света l =(500,0000000 ± 0,0000002) нм с = 3×108 м/с – скорость света в вакууме

Уравнение Шрёдингера.

Открытие двойственной природы частиц привело к пониманию о невозможности описывать поведение микрочастиц с помощью классических представлений и законов. Стало ясно, что нельзя говорить о траектории частицы, т.е. о точном ее местоположении в любой момент времени. Появилась новая наука – квантовая механика. Вместо слова траектория частицы было введено понятие о вероятности нахождения частицы в том или ином месте пространства. Для описания поведения микрочастиц Шрёдингер (1926 г) предложил дифференциальное уравнение:

i	нестационарное уравнение Шрёдингера; решение уравнения позволяет найти вероятность нахождения частицы в том или ином мете пространства
	мнимая единица
M	масса рассматриваемой частицы
U (x,y,z,t)	потенциальная энергия частицы, зависящая в общем случае от координат и времени
	оператор Лапласа (или лапласиан) краткое обозначение математической операции дифференцирования в частных производных; - набла (греч. слово nabla - арфа, символ по форме напоминает этот инструмент)
Y (x,y,z,t)	пси-функция или волновая функция, физического смысла не имеет, но квадрат ее модуля êYê2 – это вероятность нахождения частицы в данном месте пространства (подробнее см. дальше – стационарное уравнение Шрёдингера)

Математически уравнение Шрёдингера имеет бесконечное число решений, что физически неприемлемо, поэтому на пси-функцию накладываются дополнительные условия:

1).Пси-функция должна быть:

а) конечной – вероятность не может быть больше 1,

б) непрерывной – вероятность не может внезапно оборваться,

в) однозначной – не может быть две вероятности в одной точке,

2) Производные пси-функции должны быть непрерывны,

3) Пси-функция должна подчиняться условию нормировки:

условие нормировки; смысл его в том, что вероятность обнаружить частицу во всем мыслимом пространстве равна 1.

В тех случаях, когда потенциальная энергия зависит только от координат и не зависит от времени, т.е U = U (x,y,z), пси-функцию можно представить как произведение двух функций: Y (x,y,z,t) = y (x,y,z)× j (t). (Y - большая буква пси,

y - малая буква пси, обе функции называются пси- или волновыми функциями.) Подставим в уравнение (i) и, разделим на (y × j).. Получим:

 

	Левая часть уравнения зависит только от t, правая – только от координат, следовательно, каждая из них должна быть равна некоторой постоянной, которую мы обозначим Е.
			j (t) называется временнОй частью пси-функции, со временем она затухает

 

Если приравнять константе Е правую часть уравнения, получим:

a	стационарное уравнение Шрёдингера Е – полная энергия частицы, U – потенциальная энергия

При решении уравнения Шредингера мы

Задаем	находим
U – потенциальную энергию частицы m – массу частицы	y - пси-функцию (собственные функции) Е – полную энергию частицы (собственные значения)

Решение уравнения с учетом дополнительных условий, накладываемых на пси-функцию, приводит не к любым величинам энергии Е, а к дискретным:

Е₁, Е₂,…, Е_n. В теории Бора электрон мог находиться тоже только в дискретных энергетических состояниях, но при этом была введена искусственно гипотеза о квантовании момента импульса электрона. Уравнение Шрёдингера приводит к квантованию энергии естественно, как математическое решение.

При решении оказывается, что данному энергетическому состоянию частицы могут соответствовать одна или несколько (к) пси-функций. Иначе говоря, при данной энергии Е_n частица может вести себя по-разному. Тогда говорят, что уровень Е_n к -кратно вырожден и обозначают пси-функцию как Если на систему воздействовать внешним, например магнитным полем, то вырождение снимается, уровень расщепляется на несколько уровней. Практически это обнаруживается в спектрах, вместо одной линии появляются несколько. Например, в спектре атома водорода на приборе с большим разрешением можно обнаружить, что почти все линии спектра являются дублетами.

 

Рассмотрим подробнее пси-функцию.

y - пси-функция	физического смысла не имеет
1/м3 для 3-х-мерного случая	плотность вероятности (квадрат модуля пси-функции) – по смыслу – это вероятность того, что частица находится в единичном объеме в данном месте пространства Р – вероятность.
1/м для одномерного случая	--²--…. вероятность того, что частица находится на единичном отрезке…
	вероятность того, что частица находится в элементарном объеме dV
	вероятность того, что частица находится в конечном объеме V
	вероятность того, что частица находится во всем пространстве

 

Уравнение Шрёдингера (a) решается точно только для упрощенных, нереальных случаев, например, электрон в одномерной потенциальной яме. Из реальных объектов уравнение можно решить точно только для атома водорода при использовании сферических координат и для иона в эллиптических координатах. Во всех остальных случаях для решения применяются приближенные методы.

 

ПРИМЕНЕНИЕ УРАВНЕНИЯ ШРЁДИНГЕРА

Гармонический осциллятор.

В классической физике гармоническим осциллятором называют частицу, совершающую движения по закону синуса или косинуса. Потенциальная энергия такой частицы U = кх²/2, частота колебаний . Посмотрим, к каким результатам приведет решение уравнения Шрёдингера (a), если его применить к одномерной частице, которая обладает такой потенциальной энергией.

уравнение Шрёдингера для гармонического осциллятора Т.к. случай одномерный, оператор Лапласа D y = d2y / dx2, потенциальная энергия U = кх2/2.

Мы не приводим решение этого уравнения, т.к. оно выходит далеко за рамки курса. [xv] Из решения следует, что полная энергия Е такого осциллятора квантуется:

 

	Полная энергия квантового осциллятора n = 0, 1, 2,…,¥
при n = 0	Эта величина называется нулевой энергией осциллятора.

По классическим представлениям при Т ® 0 К энергия должна стремиться к 0, решение уравнения Шрёдингера приводит к выводу о существовании нулевой энергии;

даже при абсолютном нуле (Т = 0 К) частица имеет энергию ¹ 0.

На рис. показаны плотности вероятности при различных энергиях Е осциллятора. Если мы спросим себя, а как ведет себя частица, ведь нам всегда хочется наглядно представить процессы. Ответ – не знаем, ведь квантовый объект имеет двойственную природу. Мы можем только сказать, что частица находится в потенциальной яме, имеет определенный набор энергий и, если ее энергия равна, например Е₁, то вероятность обнаружить ее в середине ямы равна нулю. При переходе на другой уровень энергия частицы меняется дискретно, и система поглощает или испускает порцию энергии hn.

 

Существование нулевой энергии следует также из соотношения неопределенности. Действительно.

 

	соотношение неопределенностей
D х» А	неопределенность в координате примем равной амплитуде А колебаний
D р» р = mv = mw А	неопределенность в импульсе примем равной самому импульсу; максимальная скорость колебаний v = w А
	Е - максимальная энергия гармонических колебаний (Е =кх2 /2, )

Таким образом, из соотношения неопределенностей следует, что энергия осциллятора равна .

 

Частица в одномерной потенциальной яме (ящике)

Рассмотрим частицу с массой m, находящуюся в потенциальной яме, например, электрон в металле. Чтобы иметь возможность решить уравнение Шрёдингера введем следующие упрощения.

1).Частица находится в прямоугольной потенциальной яме, внутри ямы потенциальная энергия U постоянна, примем ее равной нулю = 0. Высота стенок ямы ® ¥, т.е. частица не может выйти из ямы (см.рис.).

2). Частица может двигаться только по оси х в пределах ширины ямы а, т.е. 0£ х £ а (одномерная задача).

Запишем уравнение Шрёдингера a для частицы в виде:

[	Уравнение Шрёдингера для частицы в прямоугольной потенциальной яме

При решении этого уравнения нам нужно найти пси-функцию y (х) и энергию Е частицы. По форме - это уравнение колебаний. Из математики известно, что решение такого дифференциального уравненияимеет вид: . Для нахождения коэффициентов А и В используем краевое условие , смысл которого в том, что частица не может выйти из ямы.

Отсюда следует: , т.к. sin 0 = 0, а cos 0 = 1 ¹ 0, то В = 0

Таким образом, получаем:

·	Решение уравнения ([). Здесь неизвестными пока остаются А и w.

Величину w найдем из второго краевого условия

А ¹ 0, следовательно, sinwa = 0, и значит wa = np, где n - -целые числа. Отсюда получаем w.

 

Вторую неизвестную величину А найдем из условия нормировки.

Смысл этого условия в том, что частица обязательно находится в пределах ширины ямы 0 ¸ а, следовательно, вероятность этого события равна 1.

Выразим плотность вероятности , используя пси-функцию (·), подставим w, и найдем интеграл. Учтем, что из тригонометрии: 2 sin²a = 1- cos2a.

Учитывая, что интеграл равен 1, получим выражение для А:

 

Зная А и w, найдем окончательный вид решения:

	Пси-функция для частицы в одномерной прямоугольной яме, физического смысла не имеет.
	Плотность вероятности для частицы в одномерной яме - определяет вероятность нахождения частицы на единичном отрезке ямы

Теперь осталось найти выражение для энергии электрона. Для этого нужно найти вторую производную пси-функции и подставить в уравнение [. Получим:

энергия частицы в одномерной потенциальной яме,

На рис. показаны энергетические уровни частицы, пси-функция и плотность вероятности для первых трех квантовых состояний. Площади под кривыми плотности вероятности представляют собой вероятности, т.к. .

Что можно сказать о поведении частицы? В зависимости от того, какова ее энергия, вероятность обнаружить частицу различная. Например, при наименьшей энергии Е₁ частица пребывает в основном в середине ямы, а при энергии Е₂ вероятность обнаружить частицу в середине ямы равна нулю.