Kurs: F0005T Förkunskaper: Schrödingerekvationen, Vågfunktion, Stående våg


Den enklaste bundna kvantmekaniska modellen: en partikel instängd mellan och med inuti och oändligt utanför, användbar som modell för en elektron i en linjär molekyl eller i en tunn metalltråd. Randvillkoren tvingar lösningen att bli en sinus med ett helt antal halva våglängder i lådan — precis som en stående våg på en sträng — och ur det följer kvantiserade energinivåer. Nivån har inte energin noll trots att i lådan, och antalet bukar i ger kvanttalet direkt.

Fysika: Fd3 (fri partikel i endimensionell låda, med för lådans storlek)


Formeln, symbol för symbol

Randvillkoren låter bara ett helt antal halva våglängder få plats, så . Kortare våglängd betyder större rörelsemängd, och eftersom all energi är kinetisk växer den som — och blir större ju trängre lådan är.


1. Potentialen och randvillkoren

Potentialen är

Där måste , annars blir termen i Schrödingerekvationen oändlig. Eftersom ska vara kontinuerlig ger det randvillkoren

Klassiskt studsar partikeln fram och tillbaka med konstant fart. Den kan ha vilken energi som helst, även noll, och den är lika sannolik att finnas överallt i lådan.


2. Lösningen

Inne i lådan är , så ekvationen är densamma som för en fri partikel. Randvillkoren väljer ut vilka lösningar som är tillåtna.

Lådan rymmer alltså ett helt antal halva våglängder, precis som en stående våg på en sträng som sitter fast i båda ändar:

Klassiskt kan partikeln studsa mellan väggarna med vilken fart som helst och är lika sannolik överallt. Kvantmekaniskt måste vara noll vid båda väggarna, så bara ett helt antal halva våglängder ryms — här — och därmed bara vissa energier.


3. Normering

Konstanten bestäms av normeringsvillkoret i Vågfunktion. Med :

vilket är amplituden i rutan överst. Till skillnad från en sträng, där amplituden beror på hur man satte igång svängningen, är här helt bestämd.


4. Energinivåerna

Med grundnivån är . Nivåerna glesnar alltså uppåt:

  • Energin är aldrig noll. Den lägsta energin är . Partikeln är instängd på sträckan , så , och då kan inte rörelsemängden vara exakt noll enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip.
  • Mindre låda ger högre energier. . Därför lyser små halvledarkristaller blåare än stora.
  • Tyngre partikel ger tätare nivåer. . För makroskopiska föremål ligger nivåerna så tätt att kvantiseringen inte märks.
  • Fotoner. Vid ett hopp från till sänds en foton ut med .

De fyra lägsta tillstånden, ritade på sina energinivåer. Vänster: har bukar och noder inne i lådan. Höger: sannolikhetstätheten är noll vid väggarna och i noderna.


5. Sannolikhetsfördelningen

Sannolikhetstätheten är inte jämn som i det klassiska fallet. I grundtillståndet är partikeln oftast nära mitten. I är tätheten noll just i mitten. Sannolikheten för ett intervall får vi genom att integrera som i avsnitt 3:

För stora svänger tätheten så snabbt att medelvärdet över ett intervall går mot det klassiska . Så övergår kvantmekaniken i klassisk mekanik.

Den fullständiga tidsberoende vågfunktionen är . Tidsfaktorn försvinner i , så tillstånden är stationära.

Vanliga fel

  • tas med. Den lägsta nivån är . ger och ingen partikel alls.
  • Nivåerna tros ligga på jämnt avstånd. , så , inte .
  • Fel antal noder. har bukar och noder inne i lådan, plus noderna vid väggarna.
  • och blandas. . En blandning ger fel med en faktor .
  • Energi i joule jämförs med eV. Räkna om med J innan fotonvåglängden beräknas med eV·nm.

6. Lösta exempel

Läsning

  • 40.2 Particle in a Box

← Vågfunktion · F0005T · Partikel i tvådimensionell låda →