量子力学の井戸型ポテンシャルの解説サイト ここ参考。未だにSSL化しとらんのねえ。数式掲示板もなくなって久しいなあ。
http://hooktail.sub.jp/quantum/squarewell-inf/
以下、L = 1 とする。一次元のシュレディンガー方程式を解くのはサイトを見るがよかろう。結果は次のようになる。
n = 1, L = 1 のグラフは次のようになる。
n = 2, L = 1では次のようになる
おお、教科書に出てくるグラフと同じじゃん!! そりゃそうだ。で、これは波動関数のグラフなのであるが、ちょっと待て。もともとシュレディンガー方程式はド・ブロイ波をヒントにして作られた。ド・ブロイ波が従う方程式がシュレディンガー方程式である。ならばシュレディンガー方程式のどこにド・ブロイ波が潜んでいるのか? そこだな。
上のクラフってひょっとこして ド・ブロイ波 を表示しているのではないか。そこで得られたエネルギー準位を考える。
エネルギーが整数で決まるのである。どーや。いや、そのエネルギーって電子の運動エネルギーだろ。そしたら 1/2 mv^2 に等しいはずだな。よってに次の計算をする。
ħ = h/(2π)でんがな。wxMaximaでħってどうやって出すのか知らんのでこうした。
結局 λ = 4L/n である。ここではLに戻したでえ。n = 1 では波長は半分しかないけど・・・・
こうなると波動関数ってド・ブロイ波を表しているって事になる。うむむむ。そうだったんですねですからド・ブロイ波が従う方程式がシュレディンガー方程式である、なのだよ、ちみい。 合ってるかね。 知らんけど。
とりあえずグラフ見たらド・ブロイ波ってこれだよね、ってピーンと来たのである(ウソ)
しかし、もともとシュレディンガー方程式を導く過程で 1/2 mv^2 は使っているからな。電子のエネルギーがシュレディンガー方程式の解と等しいって、そりゃそうか。もっとも最初に考えた運動エネルギーの速度 v は連続量だと思っていたのだが結果として連続量ではなくなった。速度v は飛び飛びの値になる。 まー なんてこったでしょう!!
では次の疑問。上のグラフでは両端で波動関数は0になっている。これはなんでですの? 教科書に依っては波動関数の連続性というのが境界条件であり、それを考慮すると0になると書いてある。微分方程式の解に出てくる係数を決めるのに境界条件を使う。だが、上の本では井戸型ポテンシャルが無限大なので両端では電子は存在できないから 0 だと説明している。
さらに入門書では両端に紐を結んで振動させると両端は固定されているから 0 なんだよよんと書いておるおる。
ホンマでっか?
n = 2, n = 3 では波動関数が0になる点があるのだが、波動関数をボルンの確率解釈で考えると、そこに電子は存在しないってならないか? 一次元の井戸型ポテンシャルで電子が存在しない点が存在する? 両端はともかく。
だが、上の波動関数で確率解釈をする場合には波動関数の絶対値の2乗を計算するし、その場合にも一点では考えない。電子が x ~ x + ⊿x の間にある確率を計算する。確率密度関数なのでそうする。確率密度関数で計算する場合に1点での値は意味がない。 そうなんですねえ、よくわかりました・・・・ ほんまに?
そうではあるのですけれども、シュレディンガー方程式が1926年に発表され、既に前年の1925年に行列力学を作ったハイゼンベルクは面白くない。シュレディンガー方程式が物理学者にとっつきやすかったからだ。馴染み深い微分方程式だし。そんな中、ハイゼンベルクは1927年に不確定性原理を発見した。考案した。作った。生み出した。
⊿x・⊿p >= h/(4π) って数式は入門書でも教科書でも出てくる。
この不確定性原理で上のグラフを考えるとどうなるか? 両端は位置が固定だ。⊿x = 0 だ。そしたら⊿p =無限大だ。そういうのアリエーーーヌと不確定性原理は言う。で?
n = 2, n = 3で0になる点・・・そういう点は固定だ。電子がそこにおることはアリエーーーヌ。。。 うむうむ。
で?
依ってに電子は両端に存在できぬので波動関数は0 なのである。同様に特定の位置に電子は存在する事ができないので波動関数は0なのである。辻褄が合うように理論は構成されているのである。どーや。知らんけど。
ド・ブロイは波長に関しては言及したが振幅に関しては言わなかった。シュレディンガー方程式の波動関数で初めて振幅が議論された。うむうむ。
で、その意味は・・・・ 解釈がたくさんあるので略。
てなあたりで少し理解が進んだ気がするぞう。だが、やっぱりスッキリしないなあ。
もともとのド・ブロイの発想は電子を波と結びつける事だった。量子論ではエネルギーが振動数で決まる。古典物理では電子のエネルギーは mc^2 だ。よってにこれが等しいとした。仮定だ。
h ν = m c^2 ---- ν は 10の20乗ぐらいの値になる。λ = h/(mv) と振動数で速度を計算すると光速を遥かに超える。この速度は位相速度である。他に群速度というものがある。群速度は電子の速度 v に等しいってな議論がある。
そして、この振動数自体はまったく議論に出て来ない。量子力学でもまったく出てこない。
よっしゃ、今度はそこらを検討しとみよう( 検索するだけね )
wxMaximaたまに使おうぜ。。。。。
posted by toinohni at 19:29| 東京 ☀|
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