background image

29. Skończonej wysokości studnia potencjału, prostokątna 1D. 

 
Porównanie studni skończonej z nieskończoną: 

 

Każdy poziom energetyczny w studni skończonej jest niższy niż w nieskończonej. 

 

 

Studnia skończona ma tylko skończoną liczbę stanów związanych i odpowiadających poziomów 
energetycznych  

 

 

Zawsze musi istnieć co najmniej jeden poziom (zawsze istnieje jeden stan związany). 

 

 

 W żadnej ze studni nie ma stanu o = 0  

 

 

W stanach o U

0

, cząstka nie jest związana (= jest swobodna) i wszystkie wartości jej energii są 

dozwolone (continuum stanów). Funkcje falowe cząstki swobodnej są sinusoidalne dla każdego x

 

 

W skończonej studni funkcja falowa  wnika w barierą, ale ‘zanika’ w niej ekspotencjalnie, w studni 
nieskończonej nie wnika w barierę. 

 

 

Istnieje niezerowe prawdopodobieństwo, że cząstka znajdzie się na zewnątrz studni 

 

 

 
 

Wyprowadzenie: 

 
U=0 dla x należącego (0,L) 
U=U

0

 dla x>L,x<0 

 
 
 
 
 
 
 

background image

0

)

(

2

0

)

(

2

0

)

(

2

0

)

(

2

2

2

''

2

2

2

"

2

2

2

2

=

+

=

=

+

=

+

=

+

=

+

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

q

U

E

m

q

U

E

m

E

U

m

E

U

m

p

E

U

m

p

h

h

h

 

Jedno z rozwiązań: 
 

0

0

<

=

>

=

x

Ae

x

Ae

x

L

x

R

γ

γ

ψ

ψ

 

 
Na zewnątrz (w części gdzie stały potencjał równy U

0

): 

 

)

Im(

)

(

2

)

(

2

1

)

(

2

0

0

0

2

2

q

E

U

m

i

q

U

E

m

q

U

E

m

q

=

=

=

=

γ

h

h

h

 

 
Wewnątrz: 

mE

k

mE

k

E

m

E

m

p

2

1

2

1

0

2

2

2

2

2

''

2

h

h

h

=

=

=

+

=

ψ

ψ

ψ

ψ

 

Rozwiązaniem równania jest funkcja 

)

sin(

)

cos(

)

(

)

sin(

)

(

2

1

2

1

2

1

δ

δ

δ

ψ

+

=

+

+

+

+

=

+

=

kx

C

kx

i

A

A

kx

A

A

e

A

e

A

ikx

ikx

m

  

 

Rozwiązanie można znormalizować tylko kiedy w odpowiednich warunkach stałe się zerują tak, żeby 
zanikała. 

background image

Funkcja obejmuje wartości własne operatora parzystości, poza tym dla stanów stacjonarnych 
możemy zawsze wybrać funkcje rzeczywiste. 
 

0

2

2

0

0

2

2

0

2

2

0

0

2

2

0

2

2

2

0

2

2

0

2

2

0

2

2

0

2

2

0

0

'

'

'

'

2

)

sin(

0

2

2

2

1

2

2

1

sin

cos

2

1

sin

1

cos

,

2

sin

0

2

)

(

0

2

2

2

2

)

(

2

1

)

(

2

1

)

(

)

(

0

)

sin(

)

cos(

0

mU

k

kL

L

x

k

k

mU

mU

k

mU

k

mU

k

mU

k

ctg

mU

k

mU

k

L

x

k

k

mU

kL

ctg

x

k

k

mU

k

mE

mU

ctg

m

k

E

E

U

m

bo

k

E

U

m

ctg

kL

kctg

kctg

L

x

dla

kL

kctg

x

dla

kctg

kx

C

kx

Ck

L

x

dla

Be

e

B

x

dla

Ae

e

A

m

m

m

m

x

x

R

R

x

x

L

L

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

=

+

>

>

=

=

=

=

=

=

=

>

>

=

+

=

=

=

=

=

=

+

=

=

+

=

=

=

+

+

=

=

=

=

=

=

=

δ

γ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

γ

δ

δ

γ

δ

γ

δ

γ

δ

δ

ψ

ψ

δ

δ

δ

ψ

ψ

γ

γ

ψ

ψ

γ

γ

ψ

ψ

γ

γ

γ

γ

 

Postępując tak jak powyżej dojdziemy do tego samego. 

background image

 

)

2

arcsin(

)

2

arcsin(

0

0

mU

k

n

kL

mU

k

h

h

=

+

=

π

δ

δ

 

Dodajemy stronami. 

2

2

kL

n

n

kL

=

=

+

π

δ

π

δ

 

 
Teraz odejmiemy dwa wcześniejsze równania. 

)

2

arcsin(

2

)

2

arcsin(

2

0

0

mU

k

kL

n

mU

k

n

kL

h

h

=

=

π

π

 

Pierwiastki tego równania wyznaczają poziomy energetyczne 

m

k

E

2

2

2

h

=

 przy czym dla 

skończonej wartości U

ilość ich jest skończona. 

 

Wiemy, że  

2

kL

n

=

π

δ

, oraz oznaczmy 

0

2

2

mU

L

kL

h

=

=

ξ

β

.Wstawiamy wszystko do 

wzoru powyżej. 
 

β

π

βξ

=

2

arcsin

n

  

Po nałożeniu na wzór sinusa lub cosinusa otrzymujemy: 

βξ

β

βξ

β

±

=

±

=

sin

cos

 

Pierwszy z nich jest dla parzystych n, przy czym interesują nas tylko te rozwiązania, dla 
których 

0

>

β

tg

. Dla nieparzystych n otrzymaliśmy drugie równanie. 

 

W szczególności dla jamy niezbyt głębokiej, dla której 

2

2

0

mL

U

h

<<

, mamy 

1

>>

ξ

, i równanie 

βξ

β

±

=

sin

 nie ma w ogóle pierwiastków. Równanie 

βξ

β

±

=

cos

 m jeden pierwiastek (dla 

znaku + w prawej części równania), równy

)

2

1

1

(

1

2

ξ

ξ

β

, zatem w tym przypadku istnieje 

tylko jeden poziom energetyczny,

2

0

2

2

0

2

2

2

0

2

2

U

mL

U

mL

E

h

h

=

β

 położony w pobliżu 

wierzchołka jamy. 
 
 

background image

 
 
Najniższy poziom energetyczny w studni potencjału leży w pewnej odległości od dna studni. 
Oznacza to ,że nie można położyć cząstki kwantowej na dnie studni. Jest to związane z 
zasadą nieoznaczoności. Jeżeli cząstka znajduje się w studni prostokątnej to jest 

zlokalizowana w obszarze Δx=L zatem rozmycie jej pędu musi być 

L

p

h

~

 

30. Pokazać, że gdy dwa niekomutujące ze sobą operatory komutują z 
operatorem

Hˆ

 to widmo tego operatora jest zdegenerowane. 

 

Operatory 

B

i

A

ˆ

ˆ

 ze sobą nie komutują, nie możemy ich więc wyznaczyć jednocześnie. 

 

 

 

Funkcją własną operatora  Hˆ  jest 

ψ

A

ˆ

ψ

ψ

ψ

B

E

E

B

B

H

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

=

=

 

W tym wypadku funkcją własną operatora  Hˆ  jest 

ψ

Bˆ

.  

Otrzymujemy dwie różne funkcję własne  dla tej samej wartości własnej  jednego operatora, 

co świadczy o tym , że jego widmo jest zdegenerowane. Operatory 

B

i

A

ˆ

ˆ

 ze sobą nie 

komutują, nie możemy ich więc wyznaczyć jednocześnie. 
 

 

Karola 

(wraz ze skryptem profesora, i z notatkami z ćwiczeń z cudownym Januszem :D ) 

ψ

ψ

ψ

ψ

αψ

ψ

ψ

ψ

A

E

E

A

H

A

A

H

A

E

H

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

=

=

=

=

=