Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Розділ 1. Елементи квантової фізики

1.1 Корпускулярно - хвильовий дуалізм речовини

1.1.1 Ядерна модель атома. Теорія Бора і її суперечності

1.1.2 Гіпотеза й формула де Бройля. Дослідне обґрунтування корпускулярно - хвильового дуалізму речовини

1.1.3 Співвідношення невизначеностей. Межі використання законів класичної фізики

1.2 Основні поняття квантової механіки

1.2.1 Поняття стану частинки у квантовій механіці. Хвильова функція і її статистичний зміст. Стандартні умови

1.2.2 Загальне (часове) рівняння Шредінгера

1.2.3 Рівняння Шредінгера для стаціонарних станів

1.3 Найпростіші задачі квантової механіки

1.3.1 Рух вільної частинки

1.3.2 Частинка в одновимірному потенціальному ящику

1.3.3 Гармонічний квантовий осцилятор

1.3.4 Проходження частинки крізь потенціальний бар'єр. Тунельний ефект

1.4 Фізика атомів і молекул

1.4.1 Використання рівняння Шредінгера до атома водню. Хвильова функція. Квантові числа

1.4.2 Енергія атома водню і його спектр. Виродження рівнів. Правила відбору

1.4.3 Механічний і магнетний моменти атома водню

1.5 Багатоелектронні атоми

1.5.1 Досліди Штерна й Герлаха. Спін електрона

1.5.2 Принцип нерозрізненості тотожних частинок. Принцип Паулі

1.5.3 Розподіл електронів за станами. Періодична система елементів

1.5.4 Рентгенівські промені. Суцільний спектр і його межі. Характеристичний спектр. Закон Мозлі

1.6 Молекула

1.6.1 Взаємодія атомів. Іонний і ковалентний зв'язок атомів у молекулах. Поняття про теорію обмінних сил

1.6.2 Енергетичні рівні молекул. Молекулярні спектри. Парамагнетний резонанс

1.6.3 Комбінаційне розсіювання світла

1.6.4 Поглинання. Спонтанне й вимушене випромінювання. Оптичні квантові генератори

Розділ 2. Елементи статистики

2.1 Основні статистичні поняття

2.1.1 Статистичний і термодинамічний методи вивчення макроскопічних систем

2.1.2 Імовірність. Середні значення фізичних величин. Функція розподілу

2.1.3 Фазовий простір. Комірка фазового простору. Число станів у просторі імпульсів. Густина станів для вільної частинки

2.2 Класичні розподіли

2.2.1 Розподіл Максвелла - Больцмана та його аналіз

2.2.2 Розподіл Больцмана. Барометрична формула

2.2.3 Розподіл Максвелла молекул за швидкостями. Найбільш імовірна швидкість молекул. Середня і середньоквадратична швидкості газових молекул

2.3 Молекулярна фізика й термодинаміка

2.3.1 Молекулярно-кінетична теорія. Основні положення МКТ

2.3.2 Основне рівняння МКТ газів. Температура.

2.4 Термодинаміка

2.4.1 Внутрішня енергія. Кількість теплоти. Робота в термодинаміці

2.4.2 Перший закон термодинаміки

2.4.3 Теплоємність ідеального газу

2.4.4 Теплові двигуни. Термодинамічні цикли. Цикл Карно

2.4.5 Необоротність теплових процесів. Другий закон термодинаміки. Поняття про ентропію

2.5 Елементи зонної теорії кристалів

2.5.1 Енергетичні зони в кристалах. Метали, діелектрики й напівпровідники з точки зору зонної теорії

2.5.2 Носії струму в кристалах. Квазічастинки. Ефективна маса носіїв струму в кристалі

2.5.3 Густина квантових станів у енергетичній зоні

2.6 Електронний газ у металі

2.6.1 Розподіл електронів у металі за енергіями. Енергія Фермі

2.6.2 Розрахунок енергії Фермі. Середнє значення енергії електронного газу в металі. Температура виродження

2.6.3 Квантова теорія електропровідності металів

2.6.4 Теплоємність електронного газу

2.7 Кристалічна ґратка. Теплові властивості твердих тіл

2.7.1 Будова кристалів. Фізичні типи ґраток

2.7.2 Дефекти в кристалах. Фонони

2.7.3 Теплоємність кристалів та її залежність від температури. Теорія Дебая

2.7.4 Теплопровідність кристалів

2.8 Електронні властивості напівпровідників

2.8.1 Власна провідність напівпровідників

2.8.2 Домішкова провідність напівпровідників

2.8.3 Контакт двох напівпровідників з різним типом провідності. Напівпровідникові діоди. Тунельні діоди

Література

Розділ 1. Елементи квантової фізики

1.1 Корпускулярно-хвильовий дуалізм речовини

1.1.1 Ядерна модель атома. Теорія Бора і її суперечності

До кінця 19-го сторіччя атом вважали неподільним. Однак відкриття цілого ряду нових фізичних явищ поставили це ствердження під сумнів. На початку 20-го сторіччя було висунуто кілька моделей будови атома. За допомогою цих моделей учені пробували пояснити ряд незрозумілих експериментальних фактів Ї лінійність спектрів випромінювання газів при високій температурі, електричну нейтральність і стійкість атомів.

Першу спробу побудувати теорію будови атома в межах класичної фізики зробив у 1903 р. англійський фізик Д. Томсон. За гіпотезою Томсона атом уявлявся у вигляді сфери, яка рівномірно заповнена позитивним зарядом, в середній частині якої містяться електрони. Проте ця модель була неспроможна пояснити спектральні закономірності атомів. За цією гіпотезою число ліній у спектрі не повинно було перевищувати число електронів у атомі, тоді як в дійсності навіть у спектрі атома водню число ліній перевищувало 30. Крім того, гіпотеза Томсона не спиралась на будь-які дослідні дані.

Вирішальне значення для теорії будови атома мали досліди Резерфорда, який у 1913 році вивчав розсіяння пучка -частинок при проходженні їх через тонку металеву фольгу. Ці досліди показали, що при проходженні через фольгу переважна більшість -частинок зазнає дуже незначних відхилень, але знаходиться чимале число і таких частинок, які зазнають дуже великих відхилень на кут більший 150. Таке значне розсіяння -частинок могло статися тільки під дією позитивного заряду атома. Електрони, маса яких майже у 8000 разів менша від -частинки, не могли помітно вплинути на її рух. Проходження переважної більшості -частинок указували на те, що розміри позитивного заряду атома повинні бути значно меншими від розмірів атома. Знаючи заряд атома можна було визначити для різних кутів розсіювання так звані прицільні відстані -частинок від центрів атомів. Виявилося, що для золотої фольги для кутів розсіювання 150 прицільна відстань дорівнює 10^-14 м. Якщо на такій відстані -частинка й атом не взаємодіють, то це може означати лише одне Ї розміри позитивно зарядженої частини атома не перевищують 10^-15 м.

Ці дослідні факти дали можливість Резерфорду описати ядерну модель атома: в центрі атома міститься позитивно заряджене ядро атома, розміри якого мають величину порядку 10^-15 м, навколо ядра по замкнутих орбітах в об'ємі сфери радіусом порядку 10^-10 м обертаються електрони, причому їх кількість дорівнює порядковому номеру елемента.

В такому вигляді ядерна модель атома зберегла своє значення і до нашого часу, хоч і зазнала багатьох уточнень.

На кожний рухомий електрон в атомі діє доцентрова сила ядра, яка дорівнює кулонівській силі притягання електрона до ядра. Ця сила забезпечує стійкий орбітальний рух електрона в атомі, подібно орбітальному руху планет в сонячній системі.

Незважаючи на визначні успіхи в поясненні будови атома, які були досягнуті в рамках класичної планетарної моделі, ця теорія зіткнулася з рядом нездоланних суперечностей. Так, відповідно до законів класичної електродинаміки:

· заряджена частинка (електрон), що рухається з прискоренням (доцентровим), повинна постійно випромінювати електромагнетну енергію;

· частота цього випромінювання повинна дорівнювати частоті обертання електрона навколо ядра.

Отже, відповідно до цієї моделі, енергія атома повинна весь час зменшуватися, тоді як частота випромінювання весь час зростати. Оптичний спектр атома водню у цьому випадку має бути суцільним. Через дуже короткий проміжок часу (близько 10^-11с) електрон мав би впасти на ядро, а атом припинити своє існування. Але атом є стійкою системою, а оптичний спектр атома водню дискретний (лінійчатий), а не суцільний.

Для усунення суперечностей планетарної моделі Н. Бор створив свою теорію водневоподібного атома, яка ґрунтується на таких постулатах:

1. Електрони, які рухаються в атомі на окремих стаціонарних рівнях, не випромінюють і не поглинають електромагнетних хвиль. У стаціонарних станах атома електрони рухаються уздовж колових орбіт, які мають дискретні значення моменту імпульсу

mr_n= n, (1.1.1)

де m Ї маса електрона; Ї лінійна швидкість орбітального руху; r_n Ї радіус n-ї колової орбіти; n Ї порядковий номер стаціонарного рівня - головне квантове число; Ї стала Планка поділена на 2 ( = h / 2 ).

2. При переході електрона з однієї стаціонарної орбіти на іншу випромінюється або поглинається квант енергії

h = E_n2 - E_n1 , (1.1.2)

який дорівнює різниці енергій двох стаціонарних рівнів атома.

Зміст формули (1.1.2) має принципове значення. Він виражає два нових фундаментальних твердження:

а) енергетичний спектр атома дискретний;

б) частоти атомного випромінювання пов'язані з атомними рівнями.

Величезна заслуга Нільса Бора перед наукою полягає у тому, що він уперше усвідомив дискретність енергетичного спектра атома. Історичний дослід Франка й Герца був першою перевіркою цих передбачень.

Теорія Бора також мала ряд внутрішніх суперечностей. З одного боку, в ній використовуються закони класичної фізики, а з іншого боку вона базується на квантових постулатах. Так результати теорії вивчення випромінювання атома водню і водневоподібних атомів блискуче збіглися з експериментом. Теорія Бора також пояснила причину випромінювання лінійчатих спектрів складними атомами, періодичний закон Менделєєва й закон Мозлі. Однак залишалось не з'ясованим: Чому рух електронів в атомах підпорядкований двом постулатам Бора? Чому одні лінії спектра досить інтенсивні, а інші ні? Чому здійснюються лише певні переходи електронів в атомах при випромінюванні й поглинанні ними енергії?

Досить значним недоліком теорії Бора була неможливість описати з її допомогою будову атома гелію, наступного за атомом водню елемента.

Відповіді на поставлені запитання дала квантова механіка, в якій на принципово новій основі установлені закономірності руху електронів в атомах і руху частинок в будь-яких інших системах.

1.1.2 Гіпотеза й формула де Брoйля. Дослідне обґрунтування корпускулярно-хвильового дуалізму речовини

Дослідження Макса Планка й Альберта Ейнштейна взаємодії світла з речовиною є початком квантової теорії електромагнетного випромінювання. З квантової точки зору світло Ї це фотони з енергією Е і імпульсом Р:

(1.1.3)

Ліві частини системи (1.1.3) є ознаками частинок (корпускул), а праві частини (частота й довжина хвилі) є ознаками електромагнетних хвиль. В формулах (1.1.3) відображено дуалізм (хвиля-частинка) світла. З одного боку світло схоже на газ, який складається з фотонів з енергією Е і імпульсом Р, а з другого боку воно є неперервною електромагнетною хвилею з частотою v. В різних експериментальних умовах світло проявляє або корпускулярні, або хвильові властивості.

У 1924 році французький фізик Луї де Бройль висунув гіпотезу, яка незабаром знайшла дослідне підтвердження, згідно з якою кількісні співвідношення частинок, такі ж, як і для фотонів. Сміливість гіпотези де Бройля полягає якраз в тому, що співвідношення (1.1.3) постулюються не лише для фотонів, але й для інших мікрочастинок, які мають масу спокою. Таким чином, будь-якій мікрочастинці, імпульс якої Р=m, відповідає хвиля з імпульсом P=h/. Тому

, (1.1.4)

де m Ї маса частинки; Ї швидкість руху частинки.

Формула (1.1.4) називається формулою де Бройля. Вона дає можливість оцінити довжину хвилі мікроскопічної частинки масою m , яка рухається із швидкістю . У макроскопічних тіл ці властивості не проявляються. Так, у тіла масою 1 г, яке летить із швидкістю 10 м/с довжина хвилі де Бройля, у відповідності з формулою (1.1.4), дорівнює

Размещено на http://www.allbest.ru/

Жоден прилад не зможе зареєструвати таку коротку хвилю (на сьогодні реєструють довжини порядку 10^-18 м).

У мікрочастинок (електрон, протон, нейтрон і ін.) маса сумірна з атомною одиницею маси, а тому довжина хвилі де Бройля при невеликих швидкостях може бути досить великою. Так, довжина хвилі електрона з кінетичною енергією 1 еВ дорівнює 13,3^.10^-10 м. Із збільшенням швидкості мікрочастинки довжина хвилі де Бройля зменшується, а при дуже великих швидкостях мікрочастинка веде себе як класична частинка.

В 1925 році ознайомившись в Паризькій академії наук з дисертацією де Бройля, де описується корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії, Ейнштейн пише Максу Борну в Лондон так: «Прочитайте її! Хоч і відчувається, що цю дисертацію писав божевільний, але як здорово вона написана». Це говорить про те, що в ті часи ідея де Бройля виглядала досить неправдоподібно через відсутність дослідного обґрунтування, яке б підтверджувало хвильові властивості елементарних частинок.

Лише в 1927 році американські фізики Девіссон і Джермер виявили, що пучок електронів, який розсіювався від природної дифракційної гратки Ї монокристал нікелю Ї дає чітку дифракційну картину. Схема установки зображена на рис. 1.1.

Рис. 1. 1

Електронний пучок, який вилітав із нагрітої нитки катода К, прискорювався полем з різницею потенціалів U, і проходячи через ряд діафрагм Д у вигляді досить вузького пучка, падав на монокристал нікелю. Іонізаційна камера В, яка з'єднувалась з гальванометром G, вимірювала величину струму І, пропорційну числу електронів, відбитих від грані монокристала нікелю. Кут f під час досліду залишався сталим.

Дослід полягав у тому, що вимірювався струм І через гальванометр, як функція прискорюваної різниці потенціалів U. У результаті досліду було встановлено, що при монотонній зміні прискорюваної різниці потенціалів U, струм гальванометра змінювався не монотонно, а давав ряд максимумів (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Одержана залежність I=f() характеризується рядом майже однаково віддалених максимумів сили струму. Звідси випливає, що відбивання електронів здійснюється лише при певних різницях потенціалів, тобто при відповідних швидкостях електронів.

Аналогічне явище спостерігається при відбиванні рентгенівських променів від кристала кварцу. Відбивання у певному напрямі характеризується кутом f згідно закону Вульфа Ї Брегга

2d sin f = k , (1.1.5)

де Ї довжина рентгенівської хвилі; d Ї стала кристалічної гратки; k Ї порядок відбивання.

Порівнявши наведені факти, можна зробити висновок, що електронний пучок проявляє хвильові властивості і при цьому довжина хвилі електронного пучка залежить від швидкості електронів.

Дійсно, oскільки d й f в умовах досліду є незмінними, виконання умови (1.1.5) із хвильової точки зору визначається значенням довжини хвилі . Числову відповідність результатів розсіювання електронного пучка з умовою (1.1.5) можна одержати, якщо довжину хвилі електронного пучка зв'язати із швидкістю електронів за допомогою формули де Бройля

, (1.1.6)

де h Ї стала Планка ; m Ї маса електрона.

Швидкість електронів , які пройшли прискорювану різницю потенціалів U знайдемо з умови

. (1.1.7)

Звідки

. (1.1.8)

Підставивши (1.1.8) в (1.1.7), одержимо:

. (1.1.9)

Довжину хвилі з (1.1.9) підставимо в (1.1.6)

. (1.1.10)

Рівність (1.1.10) визначає ті значення різниці потенціалів U, при яких струм І через гальванометр досягає максимумів.

Оскільки в умовах досліду кут f є сталим, то для різних максимумів, при певних значеннях k із (1.1.10) маємо

, (1.1.11)

де Ї стала величина в умовах цього досліду.

Таким чином, значення U, які відповідають максимумам струму І, відрізняються між собою на сталу величину С.

Дещо інший варіант цього досліду здійснив Тартаковський, який спостерігав дифракцію повільних електронів при проходженні ними тонкої алюмінієвої фольги. Схему досліду Тартаковського зображено на рис. 1.3.

На рис. 1.3 К Ї нагрітий катод, який є джерелом електронів; А Ї сітка, яка створює прискорюване поле для цих електронів; Д Ї діафрагма, яка дозволяє виділити вузький пучок електронів; В Ї алюмінієва фольга; Е Ї пластинка з двома круглими отворами, через які можуть пройти лише ті електрони, які розсіялись під кутом . Далі розміщена пластина F, з'єднана з електрометром G, за допомогою якого вимірюють електричний струм I.

Рис. 1.3

Дослід полягав у вимірюванні електричного струму I, як функції прискорюваної різниці потенціалів U. В цьому випадку розрахунок дифракційної картини повністю збігається з експериментальними результатами.

Слід відмітити, що експериментальним методом виявлено хвильові властивості у нейтральних атомів і молекул, а також і у нейтронів.

Найбільш наочні експериментальні результати, які підтверджують хвильову природу електронів, отримані в дослідах по дифракції електронів на двох щілинах, виконаних уперше в 1961 р. К. Йенсоном. Ці досліди Ї пряма аналогія досліду Юнга для видимого світла. Схема досліду показана на рис.1.3 а.

Рис. 1.3, а

Потік електронів, прискорених різницею потенціалів 40 кВ, після проходження подвійної щілини в діафрагмі попадав на екран (фотопластинку). У тих місцях, де електрони попадають на фотопластинку, утворюються чорні плями. У результаті попадання великого числа електронів на фотопластинці спостерігається типова інтерференційна картина у вигляді максимумів і мінімумів, цілком аналогічна інтерференційній картині для видимого світла.

Характерно, що всі описані досліди по дифракції електронів спостерігаються й у тому випадку, коли електрони пролітають через експериментальну установку "поодинці". Цього можна домогтися при дуже малій інтенсивності потоку електронів, коли середній час прольоту електрона від катода до фотопластинки менший, ніж середній час між випусканням двох наступних електронів із катода.

Послідовне попадання на фотопластинку все більшої й більшої кількості одиночних електронів поступово приводить до виникнення чіткої дифракційної картини. Описані результати означають, що в даному експерименті електрони, залишаючись частинками, виявляють також хвильові властивості, причому ці хвильові властивості притаманні кожному електрону окремо, а не тільки системі з великого числа частинок.

Фізичний зміст хвиль де Бройля

Що ж являє собою електрон Ї хвилю чи частинку? Відповідь на це питання така Ї ні те, ні інше. В одних випадках електрон поводиться як хвиля відповідної довжини (наприклад, у дослідах по дифракції), в інших Ї як звичайна частинка (наприклад, електрони в електронно Ї променевій трубці). На відміну від механічних хвиль, хвиля де Бройля не є поширенням коливань у якомусь пружному середовищі. Хвиля де Бройля Ї це математична модель, яка описує поведінку електронів у відповідних умовах. Після довгих дискусій фізики прийшли до такої інтерпретації фізичного змісту хвиль де Бройля. Поведінка мікрочастинок носить імовірнісний характер, а хвиля де Бройля Ї математичний інструмент для розрахунку цієї імовірності. У дослідах по дифракції мікрочастинок там, де інтенсивність хвиль де Бройля максимальна, там імовірність знайти мікрочастинку максимальна (дифракційний максимум). Навпаки, там, де інтенсивність хвиль де Бройля мінімальна, імовірність знайти мікрочастинку мінімальна (дифракційний мінімум). Отже максимальна імовірність відповідає дифракційному максимуму, нульова імовірність Ї дифракційному мінімуму. Більш строго імовірність попадання мікрочастинки в ту чи іншу область простору розраховується за допомогою так званої хвильової, або псі-функції (-функції).

1.1.3 Співвідношення невизначеностей. Межі використання законів класичної фізики

Миттєві стани мікрочастинки не можна характеризувати точними значеннями її координати і імпульсу. Причина в тому, що поведінка мікрочастинок носить імовірнісний характер, що проявляється в наявності в таких частинок хвильових властивостей. Безглуздо говорити про довжину хвилі в даній точці (точка не має розмірів), а оскільки імпульс частинки виражається через довжину хвилі, то звідси випливає, що частинка з визначеною координатою має зовсім невизначений імпульс!

В мікросвіті частинки проявляють при одних умовах хвильові властивості, при інших умовах Ї корпускулярні. Якщо виходити лише з корпускулярних властивостей, то згідно з теорією Н. Бора можна визначити точне значення координати частинки в просторі. У випадку хвильових властивостей елементарних частинок поняття координати хвилі немає фізичного змісту.

У класичній механіці траєкторія руху тіла характеризується точними значеннями координати x(t) і імпульсу p(t) в довільний момент часу t, причому ці два параметри, пов'язані між собою. Наприклад, рівномірний і прямолінійний рух тіла масою m із швидкістю виражається координатою у = t і імпульсом p(t)=m, звідки одержуємо, що х(t)= p(t)Мt /m.

У квантовій фізиці з урахуванням хвильових властивостей частинок показано, що у частинки не існує одночасно точних значень координат і імпульсу і що ці величини між собою навіть не пов'язані. Якщо імпульс частинки має точне значення, то її місце знаходження невизначене і навпаки.

Як же характеризувати стан мікрочастинок?

Одним з основних положень квантової механіки є співвідношення невизначеностей, яке було сформульовано в 1927 р. В. Гейзенбергом і з'явилося важливим кроком в інтерпретації закономірностей мікросвіту.

Розглянемо дифракцію електронів на одній щілині. Нехай пучок електронів із швидкістю летить в напрямі осі OY так, як це показано на рис. 1.4.

Екран АВ із щілиною шириною d розміщено перпендикулярно до пучка. На другому екрані СД одержано розподіл інтенсивності, який збігається з розподілом інтенсивності при дифракції світла від однієї щілини.

На рис. 1.4 цей розподіл зображено пунктирною лінією. Максимум нульового порядку одержано з кутом дифракції , який задовольняє умову:

Рис. 1.4

, (1.1.12)

де Ї довжина хвилі, яка відповідає пучку електронів.

З рис. 1.4 видно, що переважна більшість електронів формують нульовий максимум, тому вторинними максимумами в цьому випадку можна знехтувати. Якщо уявити електрони у вигляді механічних частинок, то можна стверджувати, що при їх русі із швидкістю у напрямі осі OX їх положення визначається з точністю до ширини щілини, тобто

(1.1.13)

В той же час, унаслідок дифракції змінюється напрям швидкості частинок. Враховуючи лише ті електрони, які формують центральний максимум дифракції, похибку у визначенні проекції імпульсу на напрям осі OX знайдемо із умови

. (1.1.14)

З урахуванням (1.1.12) і (1.1.13) одержимо

. (1.1.15)

А оскільки не всі електрони формують центральний максимум, тому

, (1.1.16)

де x і p_x Ї похибки у визначені координати й імпульсу частинки; - стала Планка поділена на 2.

Співвідношення (1.1.16) можна узагальнити для всіх напрямків, тому:

,

, (1.1.17)

.

Це і є співвідношення невизначеностей Гейзенберга.

Оскільки точні значення координати й імпульсу для мікрочастинки не існують, то про траєкторію частинки в мікросвіті можна говорити лише з певним наближенням. З цієї точки зору електрони в атомі не мають точних значень електронних орбіт.

У квантовій теорії використовується також співвідношення невизначеностей для енергії Е і часу t, тобто невизначеності цих параметрів задовольняють умову:

, (1.1.18)

де E Ї похибка у визначенні енергії частинки; t Ї похибка у ви

зна-ченні часу, коли частинка має енергію E.

Cпіввідношення невизначеностей неодноразово були предметом філософських дискусій. Однак вони не виражають собою певних обмежень пізнання мікросвіту, а лише указують межі використання у таких випадках понять класичної механіки.

Ще раз підкреслимо, що співвідношення невизначеностей не пов'язано з недосконалістю вимірювальної техніки, а є об'єктивною властивістю матерії: таких станів мікрочастинок, у яких і координата, і імпульс частинки мають визначене значення, просто не існує в природі.

Співвідношення невизначеностей допомагають зрозуміти багато особливостей поведінки мікрочастинок і дозволяють швидко й просто оцінити параметри їх стану. Для прикладу розглянемо застосування співвідношень невизначеностей до опису руху електрона в атомі водню.

Будемо вважати, що електрон локалізований в області простору, розміри якого дорівнюють розмірам атома. Тоді невизначеність координати електрона можна прийняти рівною радіусу атома: ? x = r. Звідси, відповідно до рівнянь (1.1.17), невизначеність значення імпульсу електрона ?p =?h / (2 r). Очевидно, що значення самого імпульсу не може бути меншим його невизначеності, тому мінімально можливе значення імпульсу електрона дорівнює

(1.1.19)

Рівняння (1.1.19) можна записати у вигляді p ? r = h/2р , або mvr = ћ. Цей результат - не що інше, як умова стаціонарної орбіти електрона в атомі водню відповідно до постулатів Н. Бора. Але, якщо Н. Бор увів свої постулати довільно, і тільки для атома водню, то ми одержали цю умову із загального універсального принципу - співвідношення невизначеностей.

Оцінимо енергію електрона в атомі водню. Енергія електрона складається з кінетичної енергії E_k = p²/2m і потенціальної енергії, що на відстані r від ядра дорівнює E_p= -e²/4₀r. Тоді повна енергія, з урахуванням рівняння (1.1.19), дорівнює

(1.1.20)

Залежність E(r) показана на графіку.

Як бачимо, залежність має мінімум при r = r₀. Величину r₀ легко знайти, узявши похідну від енергії E (1.1.20) по координаті r і прирів-нявши її до нуля:

Звідси

(1.1.21)

Ми одержали формулу й значення для радіуса першої “орбіти” електрона в атомі водню. Підставляючи значення r₀ у рівняння (1.1.20), знаходимо вираз для мінімальної енергії електрона в атомі водню:

(1.1.22)

що збігається зі значенням енергії електрона на першій “орбіті” атома водню за теорією Бора. Отримані результати мають глибокий фізичний зміст. Відповідно до класичних уявлень, електрон буде мати мінімальну енергію, коли він упаде на ядро. Квантова механіка показує, що енергія електрона мінімальна, якщо він не “лежить на ядрі”, а рухається в межах сфери з радіусом r₀ , при цьому його точне положення всередині даної сфери принципово не може бути визначено. При r < r₀ енергія електрона зростає.

Мінімальна енергія E_min, знайдена за допомогою співвідношення невизначеностей, збігається з мінімальним значенням енергії електрона в атомі водню за теорією Н. Бора. Однак ще раз підкреслимо, що наші результати отримані із загального, універсального принципу невизначеностей як окремий випадок, стосовно до атома водню, тоді як Н.Бор увів свої постулати винятково тільки для атома водню.

Звичайно, розглянута задача розв'язана приблизно, проте навіть таке наближене розв'язування пояснює, чому електрон не падає на ядро, і дозволяє правильно оцінити розміри атома і мінімальну енергію електрона.

Зупинимося на змісті, вкладеному в поняття “орбіта електрона” в атомі. На відміну від теорії Бора, у квантовій механіці не існує визначених орбіт електрона в атомі. Існування визначених орбіт, тобто точно відомих відстаней електрона від ядра, суперечить співвідношенню невизначеностей. Під терміном “орбіта електрона” у квантовій механіці розуміється відстань від ядра, на якій імовірність знайти електрон максимальна.

1.2 Основні поняття квантової механіки

1.2.1 Подання стану частинки у квантовій механіці. Хвильова функція і її статистичний зміст. Стандартні умови

У класичній механіці при одновимірному русі вздовж осі х стан частинки в кожний момент часу t задається двома величинами: координатою частинки x(t) і її швидкістю або імпульсом частинки . Таке визначення стану частинки є головним вихідним моментом побудови класичної механіки.

В фізиці мікрочастинок через наявність у них хвильових властивостей, класичне визначення стану частинки втрачає будь-який зміст, а з ним і поняття сили, яка за визначенням є функцією класичного стану.

Установити фізичний зміст квантового стану допомогло відкриття корпускулярно-хвильового дуалізму матерії. У квантовій фізиці стан частинки задається хвильовою функцією, яка є комплексною величиною і визначається у всіх точках простору і в будь-який момент часу.

Аналогічно класичним хвилям рух елементарних частинок характеризується хвилями де Бройля. Рівняння хвилі де Бройля елементарної частини називається хвильовою функцією і позначається . Хвильова функція не має жодного відношення до механічних хвиль. Класичні хвилі поширюються у пружних середовищах, а елементарні частинки можуть рухатись також і у вакуумі. Слід мати на увазі, що хвилі де Бройля властиві будь-яким частинкам, як зарядженим так і нейтральним, в той час як електромагнетні хвилі випромінюються лише зарядженими частинками при їх прискореному русі.

Для класичних хвиль характерні найбільш суттєві властивості, такі як енергія, імпульс, інтенсивність, яка визначається квадратом амплітуди хвилі.

Поняття фізичного змісту хвильової функції прийшло після того, як вияснилось, що в інтерференції хвиль де Бройля проявляються властивості окремих частинок, а не їх системи. Це підтверджується незалежністю інтерференції від інтенсивності частинок в пучку. Інтерференція спостерігається навіть в тих випадках, коли за час польоту від джерела до детектора пролітає лише одна частинка. Цей факт можна тлумачити так лише у випадках, коли рух будь-якої мікрочастинки підпорядковується статистичним закономірностям.

За аналогією з класичними хвилями знайдемо фізичний зміст квадрата модуля хвильової функції

(1.2.1)

де Ї функція, комплексно спряжена до .

В досліді Девіссона і Джермера, схема якого показана на рис. 1.1 встановлено, що струм, який реєструється гальванометром, пропорційний квадрату модуля хвильової функції

. (1.2.2)

З іншого боку величина цього струму пропорційна також об'єму детектора dV

(1.2.3)

З урахуванням (1.2.2) і (1.2.3) маємо:

. (1.2.4)

Якщо імовірність попадання частинок в детектор дорівнює dp, то величина струму гальванометра буде також пропорційною величині цієї імовірності

I = k₂dp. (1.2.5)

Прирівнявши рівності (1.2.4) і (1.2.5), одержимо:

. (1.2.6)

Завжди можна вибрати значення хвильової функції таке, щоб k₁=k₂.

Тоді (1.2.6) набуде вигляду

, (1.2.7) звідки

. (1.2.8)

Квадрат модуля хвильової функції (1.2.8) визначає густину імовірності виявити частинку в точці з радіусом-вектором в момент часу t. Квантова механіка на відміну від класичної дає імовірнісне пояснення квантового стану, а хвильова функція має статичний зміст.

При відомій хвильовій функції рівність (1.2.8) дозволяє визначити імовірність виявити частинку в об'ємі dV

. (1.2.9)

Якщо частинка знаходиться у довільній точці простору, то ця подія є достовірною, а імовірність такої події дорівнює одиниці, тобто

dV =1. (1.2.10)

Умова (1.2.10) називається умовою нормування.

Як бачимо, квантова механіка має статистичний характер; у ній не ставиться питання про знаходження положення частинки або її траєкторії в просторі, оскільки через хвильові властивості мікрочастинок такі питання взагалі втрачають зміст. У квантовій механіці за допомогою хвильової функції визначається лише імовірність виявлення мікрочастинки в різних точках простору. Зі сказаного випливає, що хвильова функція повинна задовольняти певні обмежувальні умови, які ще називаються стандартними умовами: вона має бути скінченою, однозначною і неперервною, тому що імовірність не може бути більшою за 1; бути неоднозначною і змінюватись стрибкоподібно.

1.2.2 Загальне (часове) рівняння Шредінгера

У класичній механіці рівняння одновимірного руху частинки дозволяє одержати її координату x(t) і імпульс p(t) за їх початковими значеннями x(0) і p(0). Таким рівнянням руху є другий закон Ньютона.

(1.2.11)

де m Ї маса частинки; Ї прискорення руху частинки; Ї градієнт потенціальної енергії, зміна якої визначається діючою силою.

З визначення квантового стану рівняння руху квантової частинки має задавати зміну в часі хвильової функції . Оскільки квантовий стан характеризує лише одна хвильова функція, то відповідне квантове рівняння руху повинно містити лише першу похідну за часом від хвильової функції. В інших випадках таке рівняння не буде погоджуватись з визначенням квантового стану .

Рівняння руху квантової нерелятивістської частинки в силовому полі називається рівнянням Шредінгера, тому що вперше в 1926 році воно було сформульовано німецьким фізиком Е. Шредінгером.

Справедливість цього рівняння обґрунтована тим, що всі висновки які випливають із нього, знайшли своє експериментальне підтвердження. Рівняння Шредінгера відіграє у квантовій механіці таку ж роль, як і рівняння Ньютона в класичній.

У загальному випадку часове рівняння Шредінгера має вигляд

(1.2.12)

де m Ї маса частинки; Ї потенціальна енергія частинки в сило-вому полі; Ї уявна одиниця; Ї стала Дірака; Ї оператор Лапласа.

Через присутність в рівнянні Шредінгера (1.2.12) уявної одиниці хвильова функція , яка задовольняє це рівняння, завжди комплексна. Не кожна функція може бути розв'язком рівняння (1.2.12). Перш за все ця функція повинна бути скінченною, неперервною і мати неперервні перші похідні. Ці вимоги мають чисто математичний характер. Крім того - хвильова функція повинна бути однозначною, інакше буде порушений її статистичний зміст.

Рівняння Шредінгера за часом є лінійним диференціальним рівнянням 1-го порядку. З теорії диференціальних рівнянь відомо, що кожне лінійне рівняння в частинних похідних повинно мати безліч розв'язків, причому таких, що всяка лінійна комбінація будь-якої сукупності розв'язків теж буде його розв'язком.

Слід зауважити, що рівняння Шредінгера, подібно до законів Ньютона в класичній механіці, не є результатом якогось теоретичного доведення, а є узагальненням багатьох дослідних фактів, встановлених при вивченні мікросвіту. Відмітимо також, що рівняння Шредінгера описує рух частинок, швидкість яких значно менша швидкості світла, оскільки співвідношення між кінетичною енергією й імпульсом справедливе лише при цих умовах. У релятивістському випадку для описання хвильових властивостей мікрочастинок слід користуватись іншими рівняннями, наприклад рівняннями Дірака або Клейна Ї Гордона.

1.2.3 Рівняння Шредінгера для стаціонарних станів

Потенціальна енергія частинки залежить від координат x, y, z і часу t. Якщо потенціальна енергія U від часу не залежить і відповідно повна енергія також не змінюється з часом, то хвильову функцію можна подати у вигляді добутку двох співмножників

. (1.2.13)

Перший співмножник в (1.2.13) залежить лише від часу, а другий Ї лише від координат ().

Розв'язки рівняння Шредінгера, а також стани частинок, для яких потенціальна енергія, а також густина імовірностей не змінюються з часом, називаються стаціонарними. Стаціонарні стани не виключають залежності хвильової функції від часу, а лише обмежують її гармонічним законом .

Підставляючи хвильову функцію (1.2.13) у рівняння Шредінгера (1.2.12) одержимо

.

Скоротимо цей вираз на експоненту:

, (1.2.14)

де ; Е Ї повна енергія частинки; Ї потенціальна енергія частинки, яка є функцією лише координат; Ї хвильова функція; m Ї маса частинки; Ї стала Дірака ().

Стаціонарне рівняння Шредінгера (1.2.14) є однорідним лінійним диференціальним рівнянням другого порядку відносно координат x, y, z. У випадку, коли =0, це рівняння не має фізичного змісту. У рівнянні Шредінгера для стаціонарних станів є єдиний вільний параметр Ї повна енергія частинки Е. При деяких значеннях повної енергії це рівняння може мати нульові розв'язки. Ті значення повної енергії, при яких рівняння (1.2.14) буде мати нульові розв'язки, називаються власними значеннями. Кожному такому власному значенню енергії відповідає свій розв'язок рівняння (1.2.14).

Стаціонарне рівняння Шредінгера дає не лише значення хвильової функції, але й значення цієї функції у стаціонарних станах.

1.3 Найпростіші задачі квантової механіки

1.3.1 Рух вільної частинки

Найпростішим рухом квантової частинки є вільний рух. Прикладом такого руху є рух електронів в металах і напівпровідниках. В цьому випадку потенціальна енергія частинок дорівнює нулю. При вільному русі повна енергія частинки збігається з кінетичною, а її швидкість є сталою величиною. Такому рухові в класичній механіці відповідає рівномірний і прямолінійний рух.

Нехай рівномірний рух квантової частинки відбувається в напрямі осі х, яка збігається з напрямком вектора швидкості. Стаціонарне рівняння Шредінгера для вільної частинки запишеться:

 (1.3.15)

де m Ї маса частинки; Е Ї повна енергія частинки.

Рівняння (1.3.15) є диференціальним рівнянням другого порядку зі сталими коефіцієнтами, розв'язком якого може бути функція

(1.3.16)

де А і к Ї сталі величини; і Ї уявна одиниця.

Підстановка (1.3.16) в (1.3.15) дасть тотожність

звідки

(1.3.17)

У співвідношенні (1.3.17) к - хвильове число хвиль де Бройля; Е Ї повна енергія частинки; m Ї маса частинки.

Енергія вільної частинки з рівності (1.3.17) дорівнює

(1.3.18)

Хвильове число к може набувати довільних значень, тому що вільні частинки в системі можуть мати практично будь-які постійні швидкості. Це говорить про те, що енергетичний спектр вільних частинок є суцільним.

Густина імовірності перебування вільної частинки в довільних точках осі х дорівнює



де - комплексно спряжена хвильова функція. Звідки

Густина імовірності вільної частинки в будь-якій точці осі х є сталою величиною. Невизначеності вільної частинки в координаті в такому випадку дорівнюють безмежності. Цей висновок є добрим підтвердженням співвідношення невизначеностей Гейзенберга.

1.3.2 Частинка в одновимірному потенціальному ящику

Розглянемо приклад просторово-обмеженого одновимірного руху квантової частинки в глибокому потенціальному ящику з вертикальними стінками, шириною l. Потенціальна енергія електрона зовні і всередині такого ящика має наступні значення:

U(x)=0 при 0xl, (1.3.19)

U(x)= при x0 й x l .

Графік залежності потенціальної енергії частинки U(x) від х показаний на рис 1.5.

Частинка в такому ящику може вільно рухатись на ділянці 0хl. На кінцях цього інтервалу вона стикається з абсолютно твердими стінками. Непрозорість цих стінок визначається необмеженим ростом потенціальної енергії U(x) в точках х=0 і х=l.



Рис. 1.5

Прикладом руху електрона в потенціальному ящику може бути рух колективізованих електронів усередині металу. Як відомо, у класичній електронній теорії вважали, що поза металом потенціальна енергія електрона дорівнює нулю, а всередині металу Ї вона від'ємна і чисельно дорівнює роботі виходу електрона з металу. Інакше кажучи, вважали, що рух електронів обмежений потенціальним бар'єром прямокутної форми з плоским дном. У нашому випадку потенціальний ящик значно простішої форми ніж реальний випадок електрона в металі.

Оскільки частинка не виходить за межі ділянки 0 х l, то імовірність знайти її за межами цієї ділянки дорівнює нулю. Це означає, що рівняння Шредінгера для стаціонарних станів можна доповнити граничними умовами і

Запишемо рівняння Шредінгера для частинки в потенціальному ящику

(1.3.20)

де m Ї маса частинки; Ї стала Дірака; Е Ї повна енергія частинки; (х) Ї хвильова функція.

Введемо позначення

(1.3.21)

де к Ї хвильове число хвиль де Бройля для електрона, який перебуває всередині потенціального ящика.

Рівняння (1.3.20) набуде вигляду

. (1.3.22)

Знайдемо розв'язок рівняння (1.3.22), подібно до аналогічних диференціальних рівнянь гармонічних коливань, у тригонометричній формі

(1.3.23)

де

А, В і С - сталі величини.

З граничних умов одержуємо:

а) (0)=0; 0=АcosB^.0+CsinB^.0, звідки

А=0; В0 і С0.

б) (l)=0; 0=CsinB^.l,

звідки при С0, Вl=n, або де n = 1,2,3,...

Хвильова функція з урахуванням граничних умов набуде вигляду:

(1.3.24)

Константу С у формулі (1.3.24) знайдемо з умови нормування

, (1.3.25) або

. (1.3.26)

Другий інтеграл у виразі (1.3.26) для будь-яких значень n дорівнює нулю, тому

, звідки

Хвильова функція, яка описує квантовий рух частинки в потенціальному ящику, має вигляд:

(1.3.27)

При підстановці (1.3.27) у (1.3.22) одержуємо тотожність

, звідки

(1.3.28)

Енергія Е електрона в потенціальному ящику не може бути довільною. Вона набуває лише дискретних власних значень Е(n). Імовірність виявити в межах потенціального ящика електрон з іншою енергією, ніж (1.3.28) дорівнює нулю.

Що ми одержали в результаті розв'язування рівняння Шредінгера? По-перше, набір псі-функцій, які залежать від квантового числа n. По-друге, значення енергії Е, при яких розв'язок рівняння Шредінгера має фізичний зміст. По-третє, розподіл імовірності виявлення частинки в різних точках осі x усередині ящика. Подібні ж результати виходять при розв'язуванні рівняння Шредінгера й в інших випадках, наприклад, для атома водню.

Енергетичний спектр і густина імовірності частинки в потенціальному ящику показана на рис. 1.6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.6

Число n у формулі (1.3.28) визначає вид хвильової функції й енергію частинки в стані з цією хвильовою функцією і називається квантовим числом. Покажемо, що для частинки в потенціальному ящику можливі лише такі енергетичні рівні, на яких на ширині ящика вкладається лише

ціле число півхвиль де Бройля. При аналізі граничних умов було показано, що kl=n, де Ї хвильове число хвиль де Бройля. З урахуванням останнього маємо:

(1.3.29)

Співвідношення (1.3.29) показує, що в потенціальному ящику можливі лише такі стани частинки, при яких на ширині потенціального ящика l вкладається ціле число півхвиль де Бройля (рис. 1.7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.7

Незбуреному стану частинки (n=1) відповідає енергія

(1.3.30)

Значення цієї енергії Е_l0 свідчить про те, що частинка в потенціальному ящику ніколи не зупиняється і що невизначеність Р_х імпульсу частинки не може бути меншою за величину

(1.3.31)

В потенціальному ящику шириною l положення частинки визнача-ється похибкою, яка сумірна з його шириною хl, тому

х^.Р_х, (1.3.32)

що перебуває у повній відповідності із співвідношенням невизначеностей імпульс - координата.

Покажемо, як залежить ширина енергетичного інтервалу Е від розмірів потенціального ящика. У потенціальному ящику з розмірами l=10^-9 м власні значення енергії електрона утворюють послідовність енергетичних рівнів, енергетична відстань між якими дорівнює

E=E_n+1-E_n , або

Дж.

В електрон-вольтах ця енергія буде дорівнювати

Цей розрахунок показує, що коли ширина потенціального ящика сумірна з розмірами атома (10^-10м), енергетичний інтервал між сусідніми енергетичними рівнями досить значний, а спектр є дискретним.

У випадку, коли потенціальний ящик має макроскопічні розміри l10^-2 м, енергетичний інтервал між сусідніми рівнями буде дорівнювати

Дж=0,34^.10^-14(2n+1) eB.

Для такого потенціального ящика квантуванням енергії можна знехтувати. Вона нічим не відрізняються від значень енергії, одержаних класичними методами.

Аналогічні результати можна одержати для великих квантових чисел n. У цьому випадку проявляється принцип відносності, встановлений Бором у 1923 р.

При великих квантових числах висновки й результати квантової механіки збігаються з відповідними класичними результатами.

1.3.3 Гармонічний квантовий осцилятор

Просторово-обмеженим є також рух квантового осцилятора. З класичної точки зору осцилятором може бути будь-яка матеріальна точка, яка здійснює гармонічні коливання під дією квазіпружної сили

F=-kx, де k=m. (1.3.33)

Потенціальна енергія класичного осцилятора знаходиться за формулою

(1.3.34)

де m Ї маса частинки; Ї циклічна частота осцилятора.

Графічна залежність потенціальної енергії класичного осцилятора показана на рис. 1.8.



Рис. 1.8

.

З рисунка видно, що осцилятор може мати практично довільну енергію, навіть рівну нулю. В точках -а і +а кінетична енергія осцилятора дорівнює нулю, а потенціальна енергія досягає свого максимуму. За межі області (-а, +а) класичний осцилятор вийти не може.

Квантовим осцилятором може бути лише елементарна частинка, яка поряд із корпускулярними властивостями проявляє і хвильові властивості. Прикладом квантового осцилятора може бути коливний рух атомів і молекул у вузлах кристалічної гратки. Потенціальна енергія квантового осцилятора має ту ж математичну залежність, що і класичний осцилятор (1.3.34).

Стаціонарне рівняння Шредінгера для лінійного гармонічного осцилятора має вигляд:

(1.3.35)

де m Ї маса квантової частинки; Ї власна циклічна частота; Е Ї повна енергія частинки.

Знаходження хвильових функцій квантового осцилятора є досить складною математичною задачею. Тому, опускаючи такі розв'язки, наводимо енергетичний спектр квантового осцилятора. Він має вигляд

(1.3.36)

де n= 0,1,2,3,... Ї будь-яке ціле число, починаючи з нуля; Ї власна циклічна частота осцилятора; Ї стала Дірака.

Аналіз рівняння (1.3.36) показує, що енергетичний спектр квантового осцилятора є дискретним і що власні значення енергії дорівнюють:

, ,

В енергетичному спектрі (1.3.36) проміжки між енергетичними рівнями не залежать від квантового числа n, а є однаковими

(1.3.37)

Як показано на рис. 1.9, де енергетичний спектр квантового осцилятора суміщається з аналогічним спектром класичного осцилятора, квантовий осцилятор не має значень енергії рівних нулю.

Рис.1.9

Найменше значення енергії квантового осцилятора дорівнює

. (1.3.38)

Меншої енергії квантовий осцилятор не може мати навіть при абсолютному нулі температур.

Покажемо наближеним способом, що енергія квантового осцилятора квантується. З рис 1.10 видно, що на відрізку l=2х₀ вкладається ціле число півхвиль де Бройля, тобто

(1.3.39)

де Ї середнє значення довжини хвилі де Бройля.

Звідки

(1.3.40)

Рис. 1.10

Середнє значення імпульсу кванта хвилі де Бройля

(1.3.41)

Середня кінетична енергія такого осцилятора

(1.3.42)

Відомо, що повна енергія Е перевищує середнє значення кінетичної енергії у два рази, тобто

(1.3.43)

З іншої точки зору повна енергія квантового осцилятора дорівнюватиме максимальній потенціальній енергії

(1.3.44)

Перемножимо рівності (1.3.43) і (1.3.44),

одержимо

(1.3.45) або

(1.3.46)

В межах точності наших міркувань 1, тому

 (1.3.47)

де n =1,2,3,... Ї цілі числа.

Наближений розрахунок показує, що енергія квантового осцилятора набуває ряду дискретних значень, тобто квантується.

Точне значення енергії для не збудженого квантового осцилятора нульового рівня можна одержати з рівняння Шредінгера (1.3.35), якщо згідно з рис. 1.10 скористатись функцією Гаусса, яка дорівнює

(1.3.48)

де а Ї стала величина, яку слід визначити.

Другу похідну від (1.3.48) підставимо в (1.3.35)

звідки

. (1.3.49)

Тотожність (1.3.49) має місце у випадку рівності коефіцієнтів при х² і вільних членів, тобто

...