高二物理競(jìng)賽薛定諤方程在幾個(gè)一維問(wèn)題中的應(yīng)用課件

1一、一維無(wú)限深勢(shì)阱粒子勢(shì)能函數(shù)

（1）是固體物理金屬中自由電子的簡(jiǎn)化模型；

（2）數(shù)學(xué)運(yùn)算簡(jiǎn)單，量子力學(xué)的基本概念、原理在其中以簡(jiǎn)潔的形式表示出來(lái).意義2

波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件：?jiǎn)沃?、有限和連續(xù).對(duì)Ⅰ區(qū)或3量子數(shù)

零點(diǎn)能

激發(fā)態(tài)能量

一維無(wú)限深方勢(shì)阱中粒子的能量是量子化的.4

歸一化條件歸一化的波函數(shù)5波函數(shù)概率密度6*二、隧道效應(yīng)設(shè)給定勢(shì)函數(shù)V(x)為1.方形勢(shì)壘

即勢(shì)壘的高度不是無(wú)限高也不是無(wú)限寬，如果一粒子從Ⅰ區(qū)以確定能量Ｅ<V（E>0）入射，該粒子能否在Ⅲ區(qū)出現(xiàn)？現(xiàn)用薛定諤方程處理之。7(1)勢(shì)壘外有相同的薛定諤方程

令

8在Ⅲ區(qū)：只有透射波說(shuō)明：在一般情況下，粒子能夠穿過(guò)比它動(dòng)能更高的勢(shì)壘區(qū)域，這種現(xiàn)象稱(chēng)為隧道效應(yīng)。9(2)勢(shì)壘內(nèi)Ⅱ區(qū)，薛定諤方程由標(biāo)準(zhǔn)條件和邊界條件確定待定常數(shù)。第一項(xiàng)隨x增大而增大，與實(shí)際不符，102.隧道效應(yīng)V=V0(x)Exx1x2

隧道效應(yīng):從左方射入的粒子在各區(qū)域內(nèi)的波函數(shù)11

代表Ⅰ區(qū)進(jìn)入Ⅲ區(qū)的概率，則

式中a=x2-x1為勢(shì)壘的寬度，說(shuō)明勢(shì)壘的寬度越小，透過(guò)的概率越大;（V0-E）越小，透過(guò)的概率越大。12由于原子核的質(zhì)量比電子質(zhì)量大很多,故核子在與電子相互電磁作用中可視為靜止。氫原子中電子的勢(shì)能函數(shù)由于

U

只是

r的函數(shù)，不隨時(shí)間變化,是一個(gè)定態(tài)問(wèn)題,故其薛定諤方程為13rxyzP由于勢(shì)能函數(shù)只是r的函數(shù),球形對(duì)稱(chēng)，故采用球坐標(biāo)方便些14將其代入上式，并運(yùn)用待定系數(shù)的方法,經(jīng)整理可得三個(gè)方程:

15解方程的結(jié)果,可得到描述粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的三個(gè)重要的量子數(shù)主量子數(shù)n

，角量子數(shù)l

,磁量力數(shù)ml解上述方程時(shí)，注意波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件，()中ml只能取某些特定值。然后把ml

代入()的方程，這時(shí)只有某些l的值才有可接受的解。再把符合上述()方程的l代入R(r)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，只有對(duì)于某些總能量E<0才有可能的解。161.能量量子化（主量子數(shù)n）(1)

若E>0即E=Ek+U>0說(shuō)明Ek>U若E<0,即E=Ek+U<0則Ek＜U

n=1,2,3,…

n稱(chēng)為主量子數(shù)

n=1,2,3，…其決定著氫原子能量的取值。根據(jù)其波函數(shù)必須滿(mǎn)足的標(biāo)準(zhǔn)條件,解得17

這些結(jié)果顯然與玻爾的結(jié)論一致，但這是解方程的結(jié)果，無(wú)須人為地假設(shè),故這是一個(gè)自洽的理論體系。

n=1，稱(chēng)之為基態(tài)，代入有關(guān)數(shù)據(jù),算得n=2.3.4……稱(chēng)之為激發(fā)態(tài),它們的能量為182.角動(dòng)量量子化氫原子核與電子之間的相互作用勢(shì)函數(shù)為

U(r)=-ke2/r(1)角量子數(shù)l解上述方程可得軌道角動(dòng)量的大小為即軌道角動(dòng)量L

的大小是量子化的，式中l(wèi)

是角量子數(shù)。計(jì)算表明，當(dāng)主量子數(shù)n確定后,角量子數(shù)可取

l=0.1.2.3…(n-1)角動(dòng)量L

共有n個(gè)分立的值這與玻爾理論不同,在玻爾理論中,19

(2)角動(dòng)量不同態(tài)的名稱(chēng)

由于在光譜學(xué)中常用spdf…等字母分別表示l=0,1,2，3,…(n-1)電子的狀態(tài),現(xiàn)仍沿用這些稱(chēng)號(hào)。

(3)簡(jiǎn)并現(xiàn)象，簡(jiǎn)并態(tài),簡(jiǎn)并度

上面計(jì)算表明，對(duì)應(yīng)于一個(gè)主量子數(shù)n,可有n個(gè)不同的l

值，也就是說(shuō)，在同一能級(jí)，電子可取n個(gè)不同的角動(dòng)量，電子可取若干個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)作"簡(jiǎn)并"現(xiàn)象。簡(jiǎn)并態(tài):指不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的粒子，對(duì)應(yīng)于同一能級(jí)的狀態(tài)。

簡(jiǎn)并度:指一個(gè)能級(jí)所能允許的不同狀態(tài)數(shù)。203.角動(dòng)量空間量子化索末菲認(rèn)為:玻爾的軌道平面，不僅軌道半徑是量子化的,而且軌道平面在空間的取向也是量子化的。計(jì)算表明：Ml稱(chēng)為磁量子數(shù)，其決定了電子角動(dòng)量在空間的可能取向。對(duì)于一個(gè)給定的l

ml=0，±1，±2，...±l，

這時(shí)L

在空間可以有(2l+1)