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第49讲薛定谔方程一维势阱和势垒氢原子原子的电子壳层结构.DOC

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第49讲薛定谔方程一维势阱和势垒氢原子原子的电子壳层结构

17.5 薛定谔方程 描述微观粒子运动规律的系统理论是量子力学,量子力学有两种不同的表述方式,一是由薛定谔根据德布罗意的波粒二象性假设,从粒子波动性出发,用波动方程来描述粒子和粒子体系的运动规律,这种理论也称波动力学,是薛定谔于1926年创建的。另一种理论是从粒子的粒子性出发,用矩阵形式来描述粒子和粒子体系的运动规律,这种理论是在1925年左右,由海森伯、玻恩、泡利等创建的,也称矩阵力学,两种理论完全等价。本书只介绍波动力学的基本概念和基本方程。 1926年薛定谔提出了适用于低速情况的物质波函数所满足的方程,即薛定谔方程, (17-28) 其中为粒子的势能。 如果势能不显含时间t,波函数可以写成坐标函数与时间函数两部分的乘积,即 (17-29) 此时,粒子处于定态,叫做定态波函数。显然,粒子在定态时,它在空间各点出现的概率密度 与时间无关,即概率密度在空间形成稳定分布。将式(17-29)代回薛定谔方程式(17-28),可得所满足的方程 (17-30) 方程式(17-30)称为定态薛定谔方程,也称不含时的薛定谔方程。 如果粒子在一维空间运动,方程式(17-30)简化为 (17-31) 薛定谔方程是量子力学中最基本的方程,它的地位与经典力学中的牛顿运动方程、电磁场中的麦克斯韦方程组相当。它是不能由其他基本原理推导出来的,但将这个方程应用于分子、原子等微观体系所得到的大量结果都和实验符合,这就说明了它的正确性。在下面,我们将定态薛定谔方程应用到一维势阱和势垒等一些简单问题,通过这些问题求解,可以对量子力学的应用有一个初步的理解。 图17-12 一维无限深势阱中的粒子EP 图17-12 一维无限深 势阱中的粒子 EP(x) 17.6.1 一维无限深势阱 金属内的自由电子,在金属内部可以假定它不受力,势能为零。但电子要逸出金属表面,必须克服正电荷的引力做功,就相当于在金属表面处势能突然增大而不能逸出。粗略分析自由电子的这种运动时,可提出一个理想化的模型:假设电子在一维无限深势阱中运动,它的势能函数具有下面的形式 (17-32) 相应的势能曲线如图17-12所示.这种形式的力场叫做一维无限深(方)势阱。 可以想象粒子是关闭在箱子之中,在箱内可以自由运动,但不能越出箱子的边界,由于粒子不能跃出势阱,所以在和的区域内,表示粒子出现概率的波函数Ψ(x)=0。 在0xa区域即势阱内,将代入式(17-31)得定态薛定谔方程为 (17-33) 令 (17-34) 方程(17-33)可改写为 (17-35) 方程(17-35)的通解可以写成 (17-36) 式中常数k、A和B可由波函数必须满足单值、有限、连续条件和归一化条件确定。 由于波函数在势阱边界上连续,故有边界条件 将边界条件代入式(17-36)得 由此B=0,必须满足 或 (17-37) 将式(17-37)代入式(17-34)得粒子的能量为 (17-38) 图17-13 势阱中的能级由此可见,一维无限深势阱中粒子能量是量子化的,整数n称为粒子能量的量子数。可见,在量子力学中,n取正整数是波函数满足边界条件而自然得出的,能量量子化是自然得到的结果。但这里n不能取零,因为n=0时,,相当于粒子处处出现的概率为零,这是没有意义的。所以n从1开始取值。当n=1时,粒子能量为,E1是粒子在势阱中具有的最小能量,也称为零点能。零点能E1≠0,表明束缚在势阱中的粒子不可能静止。这也是不确定关系所要求的,因为△x有限,△px不能为零,粒子动能也不可能为零。其余各能级能量可表示为,能级如图17-13所示。能级间距 ,能级间距与粒子质量和阱宽平方成反比。对于微观粒子,若限制在原子尺度内运动时,即阱宽很小,则能量的量子化是很显著的,因此必须考虑粒子的量子性。但即使是微观粒子,若其在自由空间运动(相当于阱宽无穷大),能级间距非常小,仍可以认为能量的变化是连续的。n取负整数值时的波函数,与n取相应的正整数值时只差一负号,对及能量值均无影响。因此这里只考虑n

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