background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

X.

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA NIEZALEŻNE OD CZASU

Równanie Schrődingera niezależne od czasu to równanie postaci:

−ℏ

2

2m

d

2

x

dx

2

 x = 

         (X.1)

Warunki regularności na

 x

i

d

dx

:

a) skończone
b) ciągłe
c) jednoznaczne

Postać (kształt) funkcji własnych 

ψ

 zależy od potencjału V.

a) cząstka swobodna

Dla V(x) = 0 równanie (X.1) sprowadza się do postaci:

2

2m

d

2



dx

2

 x

         (X.2)

d

2



dx

2

p

2

 = 0

         (X.3)

E

 x = Ae

ikx

         (X.4)

Wielkość k we wzorze (X.4) jest równa:

k

=

p

=

2mE

         (X.5)

{E} – zbiór ciągły

– 1 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

{

E

=

k

2

2m

}

b) cząstka w nieskończenie głębokiej studni potencjału

Rys.X.1. Nieskończenie głęboka studnia potencjału. Cząstka nie ma prawa przebywać w obszarach I i III ze 
względu na olbrzymią barierę potencjału.

Obszar II:

V(x) = 0,

 xa

d

2



dx

2

2mE

2

 = 0

         (X.6)

Równanie (X.6) jak dla oscylatora harmonicznego. 

d

2

x

dt

2

 k ' x = 0, = −k

'

x

(X.7a) i (X.7b) są to dwa szczegółowe rozwiązania równani (6).

1

 = sin kx

       (X.7a)

2

 x = cos kx

       (X.7b)

Funkcja własna 

ψ

2

(x) nie spełnia warunku ciągłości bo:

– 2 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

2

 x=0=B

– brak ciągłości

B≠0 = 

2

 x≤0

Natomiast funkcja własna 

ψ

1

(x) jest spełniona dla takiego warunku:

 x=0= Asin k⋅0=0=

1

 x0

 x== Asin ka=0 

 =  , n = 0, 1,...

ka

         (X.8)

Z wzorów (X.5) i (X.8) otrzymujemy, że energia na n–tym poziomie energetycznym wyraża 
się wzorem:

E

n

=

2

2

2ma

2

n

2

         (X.9)

Ze wzoru (X.9) wynika, że zbiór energii {E} jest dyskretny, stąd kwantowanie.
Funkcje własne cząstki zamkniętej w jamie potencjału:

n

 = A⋅sin

n

a

x

       (X.10)

– 3 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

Rys.X.2. Ilustracja graficzna wzoru (X.9).

Rys.X.3. Ilustracja graficzna wzoru (X.10).

Rys.X.4. Wykres gęstości prawdopodobieństwa dla różnych 

ψ 

n.

– 4 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

X.1. OPERATOROWA POSTAĆ RÓWNANIA SCHRÖDINGERA.

=aa

{a}:
     – zbiór ciągły (cząstka swobodna),
     – dyskretny (cząstka w jamie potencjału)

Jeżeli do danej wartości własnej należy więcej niż jedna funkcja własna to dana wartość 
jest zdegenerowana.

Jeśli dla a

i

 istnieje n różnych funkcji własnych {

ψ

1

ψ

2

,..., 

ψ

n

}, to jest to n – krotna 

degeneracja (zwyrodnienie)

[

−ℏ

2

2m

2

∂ x

2

 ∂

2

∂ y

2

 ∂

2

∂ z

2

 x , y , z , t 

]

 x , y , z , t = x , yz   (X.1.1)

Stosuje się równoważny zapis równania (X.1.1):

 = 

      (X.1.2)

gdzie:

H

– hamiltonian (operator Hamiltona) jest wyrażony wzorem:

=− ℏ

2

2m

2

∂ x

2

 ∂

2

∂ y

2

 ∂

2

∂ z

2

  x , y , z 

      (X.1.3)

Wyrażenie (X.1.3) również zapisuje się w skróconej wersji:

=− ℏ

2

2m

  V

      (X.1.4)

gdzie:

 = ∂

2

∂ x

2

 ∂

2

∂ y

2

 ∂

2

∂ z

2

      (X.1.5)

to operator Laplace'a

– 5 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

X.2. OPERATOR ENERGII.

Operatorem energii nazywamy wyrażenie:

E=ℏ ∂

t

      (X.2.6)

Równanie własne dla operatora energii jest postaci:

=x , y , z ,t

      (X.2.7)

czyli:

i

ℏ ∂

t

 x , y , zt = 

      (X.2.8)

X.3. OPERATOR PĘDU.

p= p

x

,

p

y

,

p

z

 x , y , z ,t  = Aexp

[

i

xp

x

yp

y

zp

z

− Et

]

      (X.3.1)

p=[ p

x

, p

y

, p

z

]

Poszukujemy operatora:

p

x

∂ x

x , y , z , t

A

i

p

x

exp

[

i

xp

x

yp

y

zp

z

− Et

]

=

i

x , y , z ,t

         (X.3.2)

Po podzieleniu równania (X.3.2) przez

i

otrzymujemy:

ℏ ∂

∂ x

 = p

x

      (X.3.3)

Z własności operatorów:

p

x

 = p

x

      (X.3.4)

Z równań (X.3.3) oraz (X.3.4) wynika, że:

– 6 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

p

x

=−ℏ ∂

∂ x

    (X.3.5a)

Analogicznie można znaleźć operatory:

p

y

,

p

z

p

y

= −ℏ ∂

∂ y

    (X.3.5b)

p

z

= −ℏ ∂

∂ z

    (X.3.5c)

X.4. WARTOŚCI WŁASNE I FUNKCJE WŁASNE KRĘTU

L= p

Stara teoria kwantowa:

II postulat Bohra 

L

=n

:

L

z

p

n

      (X.4.1)

Reguły kwantowania Wilsona – Somerfelda:

L=r×p

      (X.4.2)

L=L

x

, L

y

, L

z

r= x , y , z

p= p

x

, p

y

, p

z

=

i

j

k

x

y

z

p

x

p

y

p

z

= i

yp

z

− zp

y

 j

zp

x

− xp

z

 k

xp

y

− yp

x

      (X.4.3)

Składowym krętu L przypisujemy odpowiednio ich operatory:

L

x

yp

z

zp

y

(X.4.4a) → 

L

x

= p

z

−p

y

    (X.4.5a)

L

y

=zp

x

− xp

z

(X.4.4b) → 

L

y

=p

x

− p

z

    (X.4.5b)

– 7 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

L

z

=xp

y

− yp

x

(X.4.4c) → 

L

z

= p

y

− p

x

    (X.4.5c)

Podstawiając do wzorów (X.4.5) uzyskane wcześniej wartości operatorów składowych 
pędu otrzymujemy:

L

x

= −

∂ z

− 

∂ y

    (X.4.6a)

L

y

= −

∂ x

− 

∂ z

    (X.4.6b)

L

z

= −

∂ y

− 

∂ x

    (X.4.6c)

L

z

=

      (X.4.7)

Równanie (X.4.7) po podstawieniu wartości operatora składowej krętu (X.4.6c) przyjmuje 
postać:

∂ y

− 

∂ x

=  

    (X.4.7a)

Współrzędne biegunowe:

x

rsin cos 

y

rsin sin 

z

rcos

Operator krętu we współrzędnych biegunowych:

L

x

sin

 ∂

∂

 ctg cos ∂

∂

    (X.4.8a)

– 8 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

L

y

−cos  ∂

∂ 

 ctg sin  ∂

∂

    (X.4.8b)

Równanie własne z – towej składowej:

L

z

=−ℏ ∂

∂

    (X.4.8c)

Z wzorów (X.4.7) i (X.4.8c) wynika:

d

d

= 

      (X.4.9)

d

=

i



    (X.4.10)

d

=

i



    (X.4.11)

ln

 =

i

 

    (X.4.12)

 = e

i



    (X.4.13)

Wzór (X.4.13) stanowi matematyczne rozwiązanie równania własnego (X.4.7).

2=

założenia:

A=1

e

i



⋅e

i

2

 

=e

i



e

i

2

 

=1

cos

2

=1

Z jednoznaczności funkcji, przy takim założeniu znajdujemy funkcje własne.

– 9 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

 = 

    (X.4.14)

gdzie m – magnetyczna liczba kwantowa,

m

= 0, ±1, ±2, ...

m

e

i m

    (X.4.15)

[ L

i

L

j

]≠0

i

≠ j

składowe krętu podlegają zasadzie nieoznaczoności Heisenberga.

X.5. WARTOŚCI WŁASNE I FUNKCJE WŁASNE 

L

2

[

L

i

2

L

i

]

= 0

      (X.5.1)

L

2

= 

L

x

2

 

L

y

2

 L

z

2

      (X.5.2)

L

2

=−ℏ

2

[

1

sin

∂ 

sin

 ∂

∂ 

1

sin

2

2

∂

2

]

      (X.5.3)

Y

 ,

- funkcja własna 

L

2

Stosujemy metodę separacji zmiennych:

L

2

Y

, =  ,

      (X.5.4)

Y

 , = 

      (X.5.5)

Z wzorów (X.5.4) i (X.5.5) otrzymujemy:

1

d

2

d

2

=

sin

∂ 

sin

∂

∂

 sin

2

      (X.5.6)

We wzorze (X.5.6) lewa strona będzie równa prawej wtedy i tylko wtedy, gdy obie strony 
równania będą stałe:

– 10 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

−1

d

2

d

2

m

2

    (X.5.7a)

sin

∂

sin

∂

∂

 sin

2

 = m

2

    (X.5.7b)

=e

i m

      (X.5.8)

m

=0, ±1, ±2,....

Rozwiązanie (X.5.7b) istnieje wtedy i tylko wtedy, gdy

 = 1ℏ

2

      (X.5.9)

l=0,1,2,....

m∣l

∃ 2l1 wartości m m∈[−l ,l,... , l−1,]

⇔ L

L

=ℏ

l

1

    (X.5.10)

Kwantowanie L jest inne niż przewiduje stara teoria kwantowa. Według niej kręt wyraża się 
wzorem:

L

*

n

n

=1,2 ,.... , n

L→L* dla dużego l. Największa różnica w wartościach krętu jest w wartości minimalnej.

Z wzoru (X.5.10) wynika, że minimalna wartość krętu jest równa :

L

min

l=0=0

Natomiast według starej teorii kwantów wartość minimalna krętu:

L

min

*

= ℏ

Mamy więc sprzeczność, bo:

L

min

L

min

*

– 11 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

Eksperyment potwierdza słuszność, że zależność (X.5.11) jest prawdziwa:

ml

B

2

⋅sin

m

 P

l

|

cos 

    (X.5.11)

gdzie

P

l

m|

cos 

– wielomian Legendre'a

L

=n

ℏ  L

min

=ℏ

l

|m|

P

l

m|

cos 

0

0

1

1
1

1
0

1

cos

2
2
2

2
1
0

3

3cos

1
2

cos

2

−1

Tabela X.1. Przykładowe wartości wielomianu Legendre'a dla różnych wartości liczb kwantowych l i m.

Z wyrażeń (X.5.5), (X.5.6) oraz (X.5.11) otrzymujemy, że:

Y

lm

, = 

m

⋅

lm

 = e

i m

sin

m

 P

l

m|

cos 

    (X.5.11)

∃2l1 ∈ [−l ,l,... , l−1,]

Orbitalna liczba kwantowa l określa stany elektronowe.

l

0

1

2

3

...

Symbol 
stanu 

s

p

d

f

Tabela X.2. Stany elektronowe dla odpowiednich wartości l.

Elektron s, to taki, dla którego kręt orbitalny jest równy 0, elektron p – kręt orbitalny równy 
1, itd.

– 12 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

X.6. FUNKCJA FALOWA CZĄSTKI SWOBODNEJ (FALE MATERII).

Cząstka swobodna – potencjał V jest równy 0.

V(x,y,z)=0

założenie 1:

= x

 = E

k

      (X.6.1)

=− ℏ

2

2m

d

2

dx

2

      (X.6.2)

Po podstawieniu wyrażenia (X.6.2) do równania (X.6.1) otrzymujemy:

d

2

dx

2

2mE

k

2

 = 0

      (X.6.3)

Funkcje własne dane są wzorem: 

 x = e

i

 x

      (X.6.4)

założenie 2:

A=1

Wylicza się, że współczynnik 

α

 wynosi:

 =

2

h

2mE

k

=

2

h

p

x

=

2

kx

      (X.6.5)

 x = e

ik

x

x

      (X.6.6)

W trzech wymiarach wzór (X.6.6) przyjmuje postać:

 x , y , z  = exp

[

i

k

x

x

k

y

y

k

z

z

]

= e

k

r

      (X.6.7)

k=k

x

, k

y

, k

z

r= x , y , z

– 13 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

Postać funkcji falowej:

a) w jednym wymiarze (1D):

 x ,t  =  = e

ik

x

x

− e

it

= exp

[

i

k

x

x

 

]

      (X.6.8)

b) W trzech wymiarach (3D):

r ,t = exp

[

i

k⋅ri

]

      (X.6.9)

P

r ,t  = 

*

r ,t ⋅ r ,t  = 1 = const.

Według wyniku prawdopodobieństwo znalezienia cząstki jest wszędzie takie samo, co jest 
sprzeczne z definicją cząstki, bo cząstka jest w jakimś miejscu, a nie wszędzie. Lepszym 
rozwiązaniem dla cząstki swobodnej jest pakiet falowy, między innymi rozwiązuje problem 
lokalizacji.

X.7. PAKIET FALOWY.

Definicja pakietu falowego:
Jest to funkcja falowa, która w pewnym miejscu (obszarze) ma wartości różne od zera, a 
po za tym obszarem jest równa 0.

Konstrukcja pakietu falowego:

1D:

k

∈[k

∆ k , k

 ∆ k ]

 x ,t  =

df

k

0

∆ k

k

0

∆ k

c

k

0

e

i

k

x

− t

dk

      (X.7.1)

c(k

0

) – amplituda funkcji.

– 14 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

Funkcja falowa (X.7.1) po rozwinięciu w szereg ma postać:

2c

k

0

[

sin

x

∂ 

∂ k

t

∆ k

]

[

x

d

dk

0

]

∆ k

⋅exp

[

i

k

0

x

−

0

t

]

      (X.7.2)

Wyrażenie (X.7.2) stanowi matematyczną postać pakietu falowego. Możemy je zapisać 
jako:

 x ,t  =  x ,t ⋅exp

[

i

k

0

x

−

0

t

]

    (X.7.3a)

Przy czym c (x,t) stanowi amplitudę i wyraża się wzorem:

c

x ,t = 2ck

o

sin

    (X.7.3b)

gdzie:

 =

[

x

d

dt

0

t

]

∆ k

    (X.7.3c)

Ponieważ

0

  x , t  2ct

0

, to muszą być spełnione warunki:

sin

=0

oraz

sin

=1

Z pierwszego otrzymujemy, że:

 = ±

Natomiast z drugiego:

 = 0

– 15 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

Rys.X.2. Zależność funkcji falowej od położenia x.

*

x , t ⋅  x , t ~

sin

2

2

Rys.X.3. Prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w przedziale [-

x,+

x] funkcji x.

X.8. PRĘDKOŚĆ GRUPOWA u.

Prędkość grupowa jest to prędkość z jaką przesuwa się maksimum główne w pakiecie 
falowym. Jest ona równa prędkości cząstki fali de Broglie'a.

c

 x ,t  = 2c k

0

 =0

x

=

d

dt

0

t

      (X.8.1)

– 16 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

u

=

dx

dt =

d

dk

0

      (X.8.2)

Prędkość fazowa fali – jest to 
prędkość, z jaką przesuwa się faza np. 
punkt 1.

v

=

df

k

v

=  f

      (X.8.3)

=vT =

v

f

k

=

2

      (X.8.4)

u

v−

dv

d

      (X.8.5)

Wzór (X.8.5) przedstawia zależność pomiędzy prędkością fazową v, a prędkością 
grupową u.
Te wielkości są tożsame wtedy, gdy prędkość nie zależy od długości fali (brak dyspersji).

X.9. RELACJA PRĘDKOŚCI GRUPOWEJ (u) Z PRĘDKOŚCIĄ 

CZĄSTKI (v

0

).

Opis cząstki klasycznie:

p

=mv

0

E

=

p

2

2m

Opis tej samej cząstki poprzez fale materii:

k

=

p

– 17 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

f

=

E

h

u

v

0

E

=

p

2

2m

 

E

=ℏ 

ℏ =

p

2

2m

=

k

2

2m

=

ℏ k

2

2m

d

=

2k

2m

dk

u

=

d

dk

=

k

m

=

p

m

=

mv

0

m

v

0

– 18 –