Εφαρμογές της εξίσωσης SchrödingerΆρθρο, Σεπτέμβριος 2002 |
A) Σωματίδιο σε φρέαρ (πηγάδι) δυναμικού απείρου βάθους Μια
απλή περίπτωση στην οποία μπορεί να
χρησιμοποιηθεί η εξίσωση, είναι το
παρακάτω πρόβλημα ενός σωματιδίου σε
ένα πηγάδι δυναμικού απείρου βάθους
και πλάτους L. Εντός του πηγαδιού όμως, λόγω της τιμής της δυναμικής ενέργειας U(x)=0, η εξίσωση του Schrödinger παίρνει τη μορφή όπου Η λύση της παραπάνω διαφορικής εξίσωσης είναι της μορφής: Ψ(x)=Aημ(kx). Οι οριακές συνθήκες που πρέπει να ικανοποιεί η λύση αυτή είναι Ψ(0)=0 και Ψ(L)=0, αλλά για x=0 πράγματι η Ψ(x) =0. Για να πάρουμε όμως Ψ(L)=0 θα πρέπει το kx να είναι kx=nπ. Βάζοντας στη σχέση αυτή τη τιμή του K παίρνουμε:Από την οποία λύνοντας ως προς την ενέργεια Ε παίρνουμε ή , δηλαδή οι τιμές της ενέργειας που μπορεί να πάρει ένα σωματίδιο είναι κβαντισμένες σε αντίθεση με την κλασσική φυσική. Επίσης βλέπουμε πως επειδή n=1,2,3... η Ενέργεια Ε είναι πάντα μη μηδενική. Αυτό συμφωνεί και με την αρχή της αβεβαιότητας. Αντικαθιστώντας επίσης την σχέση k=nπ/x στην εξίσωση της Ψ(x) οι επιτρεπτές κυματοσυναρτήσεις είναι της μορφής:
Στις παρακάτω εικόνες φαίνονται οι κυματοσυναρτήσεις, οι πυκνότητες πιθανότητας και οι ενεργειακές στάθμες σε ένα πηγάδι απείρου βάθους: Το φρέαρ αυτό δυναμικού με άπειρα τοιχώματα χρησιμοποιείται για την εύρεση των ενεργειακών σταθμών των ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα των ατόμων. Μια άλλη εφαρμογή είναι και το φρέαρ (πηγάδι) δυναμικού πεπερασμένου βάθους που χρησιμοποιείται στην περίπτωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων μέσα σε ένα μέταλλο ορισμένου πλάτους. Β) Σωματίδιο σε πηγάδι (φρέαρ) δυναμικού πεπερασμένου βάθους Έστω ένα σωματίδιο με ενέργεια Ε εντός ενός ορθογώνιου πηγαδιού δυναμικού με πεπερασμένο βάθος U (που είναι η δυναμική ενέργεια) και πλάτος x=L. Θεωρούμε ότι το μηδενικό επίπεδο της ενέργειας βρίσκεται στον πυθμένα του πηγαδιού. Η κλασσική φυσική ορίζει ότι αν η ενέργεια Ε του σωματίου είναι μικρότερη από την δυναμική ενέργεια U, τότε το σωματίδιο δεν μπορεί να φύγει από το πηγάδι. Δηλαδή θα μείνει κλεισμένο στην περιοχή ΙΙ (0<x<L) για πάντα. Η κβαντομηχανική όμως λύση του προβλήματος με τη βοήθεια της εξίσωσης Schrödinger, ορίζει ότι η πιθανότητα να βρεθεί το σωματίδιο εκτός του πηγαδιού (περιοχή Ι και ΙΙΙ) είναι διάφορη του μηδενός. Άρα είναι και η πυκνότητα πιθανότητας, που δίνεται από το τετράγωνο της κυματοσυνάρτησης Ψ2 . Για τις περιοχές Ι και ΙΙΙ η δυναμική ενέργεια ή δυναμικό U είναι διάφορη του μηδενός ενώ στην περιοχή Ι το δυναμικό είναι μηδέν. Επίσης στις περιοχές Ι και ΙΙΙ η
εξίσωση του Schrödinger γίνεται, Η συνθήκη κανονικοποίησης επιβάλλει ότι για την περιοχή Ι (x<0) η κυματοσυνάρτηση Ψ γίνεται : Ψι=ΑeDx ενώ για την περιοχή ΙΙΙ η κυματοσυνάρτηση Ψ γίνεται Ψιιι=Αe-Dx δηλαδή μειώνονται εκθετικά καθώς αυξάνεται απολύτως το x. Όμως στην περιοχή ΙΙ η κυματοσυνάρτηση είναι αρμονική, λόγω του γεγονότος ότι U=0. Έτσι η κυματοσυνάρτηση Ψιι γίνεται: ΨΙΙ=Cημ(kx)+Eημ(kx) , όπου .
Γ) Φαινόμενο σήραγγας και εξίσωση Schrodinger
Αναφορές: Κβαντομηχανική Berkeley, Στ. Τραχανά, Serway, Ο κβαντικός κόσμος του J. C. Polkinghorne, Το κβαντικό Σύμπαν των Tony Hey & Patrick Walters καθώς και το βιβλίο της Γ! Λυκείου Κόκκοτα, Περιστερόπουλου κλπ. |
||||