Микрочастица в потенциальном ящике

Рассмотрим движение микрочастицы в потенциальном поле U (x) при условиях

и (83.1)

и (83.2)

В этом случае говорят, что микрочастица движется в одномерном потенциальном ящике (рис. 83.1).

В пределах ящика потенциальная энергия микрочастицы U = 0 и уравнение Шредингера имеет вид

(83.3)

при граничных условиях

Рис. 83.1

(83.4)

(83.5)

Обозначим

(83.6)

где k — волновое число волны де Бройля для микрочастицы внутри потенциального ящика. Общее решение уравнения

запишем в виде

где A и B — постоянные.

Используя граничные условия (83.4) и (83.5), получаем

откуда A = 0.

откуда следует, что число k принимает лишь определенные дискретные значения k_n, удовлетворяющие условию

или

(83.7)

где n = 1, 2, 3, ….

Следовательно, волновая функция внутри потенциального ящика имеет вид

(83.8)

Подставляя выражение (83.7) в соотношение (83.6), получаем очень важный результат:

(83.9)

т. е. энергия E микрочастицы в потенциальном ящике не произвольна. Она принимает лишь ряд дискретных собственных значений E_n.

Физические величины, принимающие лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. Таким образом, энергия микрочастицы, находящейся в потенциальном ящике, является квантованной. Квантованные значения E_n называют уровнями энергии, а число n, определяющее энергетический уровень микрочастицы, — квантовым числом.

Отметим, что микрочастица, двигаясь в потенциальном ящике с потенциальным барьером конечной высоты U ₀, даже имея энергию
E < U ₀, может пройти сквозь потенциальный барьер (рис. 83.2). Это явление называют туннельным эффектом. Расчет дает, что вероятность туннельного эффекта

Рис. 83.2

(83.10)

где L — ширина потенциального барьера.

Туннельный эффект осуществляется только в тех случаях, когда ширина L потенциального барьера соизмерима с атомными размерами. Например, при и для электронов с

Пример 83.1. Микрочастица находится в одномерном потенциальном ящике шириной l. Вычислить вероятность того, что микрочастица, находящаяся в первом возбужденном состоянии (n = 2), будет обнаружена в средней части ширины ящика.

Дано:   l   n = 2	Решение     Используя условие нормировки вероятности, найдем B: .
P –?

Ответ: P = 0,195.

ГЛАВА 20. АТОМНАЯ ФИЗИКА

Дата добавления: 2014-11-29