background image

 

Mechanika kwantowa 1 

 PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ 

 
Mechanika kwantowa (albo mechanika falowa) zajmuje się ruchami 
mikrocząsteczek i ich oddziaływaniami (o ile nie prowadzą do zmiany liczby i 
rodzaju mikrocząstek) 
 
Zajmiemy się mechaniką kwantową nierelatywistyczną. 
 
 
Hipoteza de Broglie’a (1924 r.)  
 
 Jeżeli światło ma dwoistą falowo-cząstkową naturę, 
 

- fale o częstości 

ν

 i długości 

λ

 

- cząstki o energii 

E h

ν

=

 i pędzie 

E

h

h

p

c

c

ν

λ

=

=

=

 

 

to także cząstki o niezerowej masie powinny mieć taką naturę. 
Cząstki takie, o energii   i pędzie  , zachowują się jak fale o częstości 

E

h

ν

=

 i długości 

h

p

λ

=

 i   są tu rozumiane w sensie relatywistycznym: 

2

2

2

1

E mc

c

υ

=

2

2

1

p m

c

υ

υ

=

 
 
Doświadczenie Davissona i Germera - pierwsze potwierdzenie hipotezy de 
Broglie'a (1927 r.) 
 

 

2

2

2

2

k

m

p

E

Ue

m

υ

=

=

=

 

 

2

p

mUe

=

 

 

2

h

h

p

mUe

λ

= =

 

 
 

background image

 

Mechanika kwantowa 2 

 
 
 

k

    -  płaszczyzny sieciowe 

     CD -  różnica dróg ciągów 
 

      falowych P

1

B i P

2

B

 
 

 Wzmocnienie, 

gdy 

2 cos

CD

d

n

ϑ

λ

=

 (warunek Braggów) 

 
 

   W doświadczeniu Davissona i Germera 

było: 
 

0,91 Å

d

=

,    

25

ϑ

= °

,    

1

n

=

 

 

stąd     

2

cos

1,65 Å

d

n

λ

ϑ

=

=

 

 

 

Z drugiej strony: 
 

 

 

 

 

 

 

   

34

6,63 10

Js

h

=

×

,   

54 V

U

=

 

 

 

 

 

 

 

   

31

9,1 10

kg

m

=

×

 

 

 

 

 

 

 

 

   stąd     

1,64 Å

2

h

mUe

λ

=

=

 

Wniosek: 
 
Każdej poruszającej się cząstce materialnej można przypisać falę materii, 

której długość jest określona wzorem de Broglie'a 

h

p

λ

=

 

 
Materia, podobnie jak promieniowanie, wykazuje dualizm falowo-cząstkowy. 

Zależność prądu detektora D od 
napięcia przyspieszającego elek-
trony w doświadczeniu Davissona i 
Germera 

background image

 

Mechanika kwantowa 3 

Częstość kołowa i wektor falowy fal de Broglie'a 
 

 

2

2

E

E

h

ω

π ν

π

=

=

=

!

 

 

E

ω

=

!

   

 

2

h

π

=

!

 

 

 

2

p

p

k

h

π

π

λ

=

=

=

!

   

 

p

k

=

!

 

 
 
Funkcja falowa 
 
W mechanice kwantowej cząstkom przypisuje się zespolone funkcje falowe 
 
 

( , , , )

( , )

x y z t

r t

Ψ

= Ψ

"

 

 
w ogólności będące superpozycjami monochromatycznych fal de Broglie’a 
 
 

LICZBY ZESPOLONE 

Liczby zespolone są jednym z najważniejszych narzędzi matematycznych dla 
badań zjawisk przyrodniczych, wskutek czego używanie ich jest w tej samej 
mierze słuszne, co używanie liczb rzeczywistych. 
 
Określenie liczb zespolonych 
 
Liczbę zespoloną można traktować jako parę uporządkowaną liczb 
rzeczywistych 
 

( , )

z

a b

a bi

=

= +

 

gdzie liczba , zwana jednostką urojoną, jest zdefiniowana wzorem 

2

1

i

= −

 

     - część rzeczywista liczby 

z

, (piszemy 

re

a

z

=

), 

b

     - część urojona liczby 

z

, (piszemy 

im

a

z

=

), 

*

z

z

a bi

=

= −

 -  liczba sprzężona z liczbą 

z a bi

= +

background image

 

Mechanika kwantowa 4 

Działania arytmetyczne na liczbach zespolonych 
 
Niech 

z a bi

= +

w c di

= +

 

Dodawanie: 
 

(

) (

)

z w

a c

b d i

+ = + + +

 

Odejmowanie: 
 

(

) (

)

z w

a c

b d i

− = − + −

 

Mnożenie: 
 

2

(

)(

)

(

) (

)

zw

a bi c di

ac adi bci bdi

ac bd

ad bc i

= +

+

=

+

+

+

=

+

+

 

Dzielenie: 

 

2

2

2

2

(

)(

)

(

)(

)

z

a bi

a bi c di

ac bd

bc ad

i

w

c di

c di c di

c

d

c

d

+

+

+

=

=

=

+

+

+

+

+

 

 
Postać trygonometryczna liczb zespolonych 

 
Liczbę zespoloną 

z a bi

= +

 można też 

traktować jako punkt na płaszczyźnie o 
współrzędnych 

( , )

a b

 

 
 
 

 

2

2

z

r

a

b

= =

+

 - 

Moduł liczby 

z

. Odległość odpowiadającego jej 

punktu od początku układu współrzędnych. 

ϕ

 

 

 

 

-  Argument liczby 

z

.Kąt zawarty między dodatnią 

półosią osi  , a odcinkiem Oz . Kąt ten jest określany 
z dokładnością do całkowitej wielokrotności kąta 
pełnego. Piszemy 

arg z

ϕ

=

Zachodzi 

 

cos

a

r

ϕ

=

,  

sin

b

r

ϕ

=

 

 

(cos

sin )

a b

z a bi r

i

r

i

r

r

ϕ

ϕ

= + =

+

=

+

 

background image

 

Mechanika kwantowa 5 

Postać wykładnicza liczby zespolonej 
 
Liczbę zespoloną 

z

 o module   i argumencie 

ϕ

 można też zapisać w postaci 

 

i

z r e

ϕ

=

 

Zachodzi: 

cos

sin

i

e

i

ϕ

ϕ

ϕ

=

+

 

 

wzór Eulera 

 
 
 
 
Potęgowanie liczb zespolonych 
 
Korzysta się tu ze wzoru Moivre'a 
 

[

]

(cos

sin )

(cos

sin

)

n

n

r

i

r

n

i

n

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

+

=

+

 

Wzór Moivre'a można stosować przy   całkowitym lub ułamkowym, 
dodatnim lub ujemnym. Przy   ułamkowym należy uwzględnić 
wieloznaczność wyniku. 
 
 
 
 
Sens fizyczny funkcji falowej 
 
Interpretacja Borna (1926 r.) 

Sama funkcja falowa nie ma bezpośredniej interpretacji fizycznej. 
Interpretację fizyczną ma natomiast kwadrat modułu funkcji falowej 

2

*

Ψ = ΨΨ

 taką, że 

 

2

dP

dV

Ψ

 

 
gdzie 

dP

 - prawdopodobieństwo tego, że cząstka znajdzie się wewnątrz 

obszaru o objętości 

dV

 

background image

 

Mechanika kwantowa 6 

Sens fizyczny funkcji falowej, cd 
 
Funkcja 

Ψ

 jest często rozumiana jako funkcja znormalizowana (unormowana), 

czyli spełniająca warunek 
 

*

1

V

dV

ΨΨ

=

  

(wtedy 

2

dP

dV

= Ψ

 

Gęstość prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w danym elemencie 
przestrzeni: 
 

 

2

*

( , )

dP

r t

dV

ρ

=

= Ψ = ΨΨ

"

 

 
 
 
Opis ruchu cząstki swobodnej za pomocą monochromatycznej fali de Broglie’a 

 
 

 

(

)

( , )

i

t k x

x t

A e

ω

Ψ

=

   

w jednym wymiarze, dla cząstki poruszającej 
się wzdłuż osi x

 

 

(

)

( , )

i

t k r

r t

A e

ω

Ψ

=

" "

"

   

w przestrzeni trójwymiarowej, dla cząstki 
poruszającej się w kierunku k

"

 
 
Cząstki opisane taką falą mają ściśle określoną energię i pęd, ale ich zależność 
położenia od czasu nie jest określona. Dla cząstek poruszających się z 
prędkościami 

c

υ

$  zachodzi 

 

 

2

2

2

2 2

2 4

2

2

2

2 2

2 2

1

1

2

2

p

p

p

E

p c

m c

mc

mc

mc

m c

m c

m

=

+

=

+

+

=

+

 

a więc wtedy częstość 

ω

 może być rozumiana jako obliczana z zależności  

k

E

ω

=

! , gdzie 

2

(2 )

k

E

p

m

=

 

background image

 

Mechanika kwantowa 7 

Opis ruchu cząstki swobodnej za pomocą paczki falowej 
 
Dla uproszczenia weźmy cząstkę poruszającą się równolegle do osi x, w jej 
dodatnim kierunku. Takiej cząstce można przypisać grupę fal płaskich o 
wartościach modułu wektora falowego zawartych w pewnym przedziale (np. o 
szerokości 

k

) wokół pewnej wartości 

0

 

 

0

0

(

)

( , )

2

k

k

i

t k x

k

k

A

x t

e

dk

k

ω

+∆

−∆

Ψ

=

 

 
Zwróćmy uwagę, że rozmycie 

k

 oznacza rozmycie pędu (bo 

p

k

=

!

) oraz, że 

w takim przypadku wartości częstości 

ω

 są również rozmyte wewnątrz 

pewnego przedziału, co wynika relacji energii i pędu 
 
 

2 2

2 4

E

p c

m c

=

+

 

 

 

2 2 2

2 4

k c

m c

ω =

+

!

!

 

 

(związek dyspersyjny) 

Dla cząstek nierelatywistycznych związek dypersyjny ma postać 

2

(2 )

k

E

p

m

=

 

 

 
 
 

Zasada nieokreśloności Heisenberga  
 
Aby dokładniej przeanalizować konsekwencje rozmycia energii i pędu w 
paczce falowej, wykonajmy całkowanie we wzorze opisującym paczkę 
 

 

0

0

(

)

( , )

2

k

k

i

t k x

k

k

A

x t

e

dk

k

ω

+∆

−∆

Ψ

=

 

 

Wprowadźmy oznaczenia:  

g

g

x

t

υ

=

,    

g

d

dk

ω

υ

=

,    

0

0

( )

k

ω

ω

=

 

 
Rozwińmy 

ω

 w szereg Taylora  

0

0

0

0

( )

( )

(

) ...

(

)

g

d

k

k

k k

k k

dk

ω

ω

ω

ω υ

=

+

+ ≅

+

 

(wyrazy rzędu wyższego niż pierwszy można pominąć ze względu na założoną 
małą wartość 

k

). 

background image

 

Mechanika kwantowa 8 

Zasada nieokreśloności Heisenberga, cd.  
 

 

0

0

(

)

( , )

2

k

k

i

t k x

k

k

A

x t

e

dk

k

ω

+∆

−∆

Ψ

=

   

0

0

( )

(

)

g

k

k k

ω

ω υ

+

 

Stąd  

0

0

0

0

0

0

(

)

(

)

g

g

g

g

g

t kx

t

k k t kx

t

kt

k t kx

t k x

x x k

ω

ω

υ

ω

υ

υ

ω

=

+

=

+

=

− −

 

 

0

0

(

)

(

)

(

)

g

g

i

t k x

i x x k

i

t kx

e

e

e

ω

ω

=

 

 
 
Paczka falowa może być zapisana w postaci 
 

0

0

0

0

(

)

(

)

( , )

2

g

g

k

k

i x x k

i

t k x

k

k

A

x t

e

dk e

k

ω

+∆

−∆

Ψ

= 

 

 
Po scałkowaniu i wykorzystaniu zależności 

sin

2

i

i

e

e

i

ϕ

ϕ

ϕ

=

 otrzymujemy  

 

0

0

(

)

sin (

)

( , )

(

)

g

i

t k x

g

x x

k

x t

A

e

x x

k

ω

Ψ

=

 

 
Sens fizyczny ma kwadrat modułu funkcji falowej 

*

( , )

x t

ρ

ΨΨ

 

Stąd mamy 

2

2

sin

( , )

x t

α

ρ

α

, gdzie 

(

)

(

)

g

g

x x

k

x

t k

α

υ

= −

∆ = −

 

 

background image

 

Mechanika kwantowa 9 

Zasada nieokreśloności Heisenberga, cd.  
 
Dla cząstki opisanej paczką falową mamy pewien zakres wartości 

α

 (nie 

pojedynczą wartość). Analizując powyższy rysunek można w pierwszym 
przybliżeniu przyjąć, że rozmycie (nieokreśloność) 

α

 wynosi nie mniej niż  2

π

 

 

2

α

π

∆ ≥

  

 

czyli, że  

(

)

2

g

x

t k

υ

π

∆ − ∆ ∆ ≥

 

 
 
1. Jeśli ustalimy czas 

(

0)

t

∆ =

, to mamy 

2

x k

π

∆ ∆ ≥

 

 

2

x

x

p

k

k

p

h

π

=

→ ∆ =

!

 

 

2

2

x

x

p

h

π

π

∆ ≥

  

 

x

x p

h

∆ ∆ ≥

 

W analogiczny sposób można otrzymać 

 

y

y p

h

∆ ∆ ≥

 

z

z p

h

∆ ∆ ≥

 

Wniosek:  

Niemożliwe jest jednoczesne określenie pędu i położenia cząstki. 

 
 
 
2. Jeśli ustalimy położenie 

(

0)

x

∆ =

, to mamy 

2

g

t k

υ

π

∆ ∆ ≥

 

 

2

g

t

k

ω

υ

ω

π

=

∆ ∆ ≥

 

 

2

E

E

h

π

ω

ω

=

∆ =

!

 

 

2

2

E t

h

π

π

∆ ∆ ≥

   

   

E t h

∆ ∆ ≥

 

 
Wniosek: 

Energia cząstki w danym stanie może być określona z tym większą 
dokładnością, im dłużej cząstka znajduje się w tym stanie. 

background image

 

Mechanika kwantowa 10 

Równanie Schrödingera  (1926) 
 

2

2

i

U

t

m

∂Ψ = − ∆Ψ + Ψ

!

!

 

 

1

i

= −

   

2

h

π

=

!

,  

2

2

2

2

2

2

2

x

y

z

∆ = ∇ =

+

+

 

 
 

Funkcja 

( , , , )

U x y z t

 spełnia warunek 

U

F

−∇ =

"

, gdzie 

x

y

z

e

e

e

x

y

z

∇ =

+

+

"

"

"

 (gradient U ze znakiem minus jest równy 

wypadkowej sile działającej na cząstkę). Jeśli U nie zależy od czasu, to 

( , , )

U U x y z

=

 jest energią potencjalną cząstki. 

 

 

Ogólne właściwości rozwiązań równania Schrödingera 

 
Rozwiązując równanie Schrödingera możemy znaleźć postać funkcji falowej 

Ψ

. Funkcja ta musi spełniać przy tym tzw. warunki naturalne. Zgodnie z nimi 

funkcja falowa musi być: 
 
 

! ciągła, 

 

gładka - pochodne 

/ ,

/ ,

/

x

y

z

∂Ψ ∂ ∂Ψ ∂ ∂Ψ ∂

 powinny być ciągłe, 

!  jednoznaczna, 
!  ograniczona,  
!  funkcja 

2

Ψ

 powinna być całkowalna, tzn. całka 

2

V

dV

Ψ

 

powinna 

mieć wartość skończoną.