Бесплатная частица - Free particle

В физика, а свободная частица это частица, которая в некотором смысле не связана внешней силой или, что то же самое, не находится в области, где ее потенциальная энергия изменяется. В классической физике это означает, что частица находится в "свободном от поля" пространстве. В квантовой механике это означает область однородного потенциала, обычно равную нулю в интересующей области, поскольку потенциал может быть произвольно установлен на ноль в любой точке (или на поверхности в трех измерениях) в пространстве.

Классическая свободная частица

Классическая свободная частица характеризуется фиксированным скорость v. В импульс дан кем-то

${\displaystyle \mathbf {p} =m\mathbf {v} }$

и кинетическая энергия (равна полной энергии) на

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}mv^{2}={\frac {p^{2}}{2m}}}$

куда м - масса частицы и v - векторная скорость частицы.

Квантовая свободная частица

Распространение волны де Бройля в 1д - реальная часть сложный амплитуда синяя, мнимая часть зеленая. Вероятность (показана цветом непрозрачность ) нахождения частицы в заданной точке Икс распространяется как форма волны, нет определенного положения частицы. При увеличении амплитуды выше нуля кривизна уменьшается, поэтому снова уменьшается, и наоборот - в результате получается переменная амплитуда: волна. Вершина: Плоская волна. Нижний: Волновой пакет.

Математическое описание

Основные статьи: Уравнение Шредингера и Волна материи

Свободная частица с массой ${\displaystyle m}$ в нерелятивистской квантовой механике описывается свободным Уравнение Шредингера:

${\displaystyle -{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}\nabla ^{2}\ \psi (\mathbf {r} ,t)=i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\psi (\mathbf {r} ,t)}$

где ψ - волновая функция частицы в положении р и время т. Решение для частицы с импульсом п или же волновой вектор k, в угловая частота ω или энергия E, дается сложный плоская волна:

${\displaystyle \psi (\mathbf {r} ,t)=Ae^{i(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t)}=Ae^{i(\mathbf {p} \cdot \mathbf {r} -Et)/\hbar }}$

с амплитуда А и ограничено:

а) если частица имеет массу ${\displaystyle m}$: ${\displaystyle \omega ={\frac {\hbar k^{2}}{2m}}}$ (или эквивалент ${\displaystyle E={\frac {p^{2}}{2m}}}$).

б) если частица является безмассовой частицей: ${\displaystyle \omega =kc}$.

Спектр собственных значений бесконечно вырожден, поскольку для каждого собственного значения E> 0, соответствует бесконечное число собственных функций, соответствующих разным направлениям ${\displaystyle \mathbf {p} }$.

В Отношения де Бройля: ${\displaystyle \mathbf {p} =\hbar \mathbf {k} ,\quad E=\hbar \omega }$ подать заявление. Поскольку потенциальная энергия (заявлена ​​равной нулю), полная энергия E равна кинетической энергии, имеющей тот же вид, что и в классической физике:

${\displaystyle E=T\,\rightarrow \,{\frac {\hbar ^{2}k^{2}}{2m}}=\hbar \omega }$

Что касается все квантовые частицы бесплатно или же связаны, Принципы неопределенности Гейзенберга ${\displaystyle \Delta p_{x}\Delta x\geq {\frac {\hbar }{2}}}$ подать заявление. Понятно, что, поскольку плоская волна имеет определенный импульс (определенную энергию), вероятность определения местоположения частицы одинакова и ничтожна во всем пространстве. Другими словами, волновая функция не нормируема в евклидовом пространстве, эти стационарные состояния не могут соответствовать физическим реализуемым состояниям. ^[1]

Измерения и расчеты

Интеграл функция плотности вероятности

${\displaystyle \rho (\mathbf {r} ,t)=\psi ^{*}(\mathbf {r} ,t)\psi (\mathbf {r} ,t)=|\psi (\mathbf {r} ,t)|^{2}}$

где * обозначает комплексно сопряженный, по всему пространству - это вероятность найти частицу во всем пространстве, которая должна равняться единице, если частица существует:

${\displaystyle \int _{\mathrm {all\,space} }|\psi (\mathbf {r} ,t)|^{2}d^{3}\mathbf {r} =1}$

Это условие нормировки волновой функции. Волновая функция не нормируется для плоской волны, но является волновой пакет.

Увеличивается количество локализации волнового пакета, что означает, что частица становится более локализованной.

В пределе час → 0, положение и импульс частицы становятся известны точно.

Интерпретация волновой функции одной частицы со спином 0 в одном измерении. Показанные волновые функции являются непрерывными, конечными, однозначными и нормализованными. Непрозрачность цвета (%) частиц соответствует плотности вероятности (которая может измеряться в%) нахождения частицы в точках на оси x.

Разложение Фурье

Волновая функция свободной частицы может быть представлена ​​суперпозицией импульс собственные функции, с коэффициентами, заданными преобразование Фурье начальной волновой функции:^[2]

${\displaystyle \psi (\mathbf {r} ,t)={\frac {1}{({\sqrt {2\pi }})^{3}}}\int _{\mathrm {all\,{\textbf {k}}\,space} }{\hat {\psi }}_{0}(\mathbf {k} )e^{i(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t)}d^{3}\mathbf {k} }$

где интеграл по всем k-пространство и ${\displaystyle \omega =\omega (\mathbf {k} )={\frac {\hbar \mathbf {k} ^{2}}{2m}}}$ (чтобы убедиться, что волновой пакет является решением уравнения Шредингера для свободной частицы). Здесь ${\displaystyle \psi _{0}}$ - значение волновой функции в момент времени 0 и ${\displaystyle {\hat {\psi }}_{0}}$ - преобразование Фурье ${\displaystyle \psi _{0}}$. (Преобразование Фурье ${\displaystyle {\hat {\psi }}_{0}(\mathbf {k} )}$ по сути импульсная волновая функция волновой функции положения ${\displaystyle \psi _{0}(\mathbf {r} )}$, но написано как функция ${\displaystyle \mathbf {k} }$ скорее, чем ${\displaystyle \mathbf {p} =\hbar \mathbf {k} }$.)

Ожидаемое значение импульса п для комплексной плоской волны

${\displaystyle \langle \mathbf {p} \rangle =\left\langle \psi \left|-i\hbar \nabla \right|\psi \right\rangle =\hbar \mathbf {k} }$,

а для общего волнового пакета -

${\displaystyle \langle \mathbf {p} \rangle =\int _{\mathrm {all\,space} }\psi ^{*}(\mathbf {r} ,t)(-i\hbar \nabla )\psi (\mathbf {r} ,t)d^{3}\mathbf {r} =\int _{\mathrm {all\,{\textbf {k}}\,space} }\hbar \mathbf {k} |{\hat {\psi }}_{0}(\mathbf {k} )|^{2}d^{3}\mathbf {k} }$.

Ожидаемое значение энергии E равно

${\displaystyle \langle E\rangle =\left\langle \psi \left|-{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}\nabla ^{2}\right|\psi \right\rangle =\int _{\mathrm {all\,space} }\psi ^{*}(\mathbf {r} ,t)\left(-{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}\nabla ^{2}\right)\psi (\mathbf {r} ,t)d^{3}\mathbf {r} }$.

Групповая скорость и фазовая скорость

Распространение волнового пакета с движением одиночного пика, заштрихованного фиолетовым. Пики движутся с фазовой скоростью, тогда как весь пакет движется с групповой скоростью.

В фазовая скорость определяется как скорость, с которой распространяется решение плоской волны, а именно

${\displaystyle v_{p}={\frac {\omega }{k}}={\frac {\hbar k}{2m}}={\frac {p}{2m}}}$.

Обратите внимание, что ${\displaystyle {\frac {p}{2m}}}$ является нет скорость классической частицы с импульсом ${\displaystyle p}$; скорее, это половина классической скорости.

Между тем предположим, что начальная волновая функция ${\displaystyle \psi _{0}}$ это волновой пакет чье преобразование Фурье ${\displaystyle {\hat {\psi }}_{0}}$ сосредоточена около определенного волнового вектора ${\displaystyle \mathbf {k} }$. Тогда групповая скорость плоской волны определяется как

${\displaystyle v_{g}=\nabla \omega (\mathbf {k} )={\frac {\hbar \mathbf {k} }{m}}={\frac {\mathbf {p} }{m}}}$,

что согласуется с формулой для классической скорости частицы. Групповая скорость - это (приблизительная) скорость, с которой распространяется весь волновой пакет, а фазовая скорость - это скорость, с которой перемещаются отдельные пики в волновом пакете.^[3] Рисунок иллюстрирует это явление, когда отдельные пики внутри волнового пакета распространяются со скоростью, вдвое меньшей скорости всего пакета.

Распространение волнового пакета

Понятие групповой скорости основано на линейном приближении дисперсионного соотношения ${\displaystyle \omega (k)}$ около определенного значения ${\displaystyle k}$.^[4] В этом приближении амплитуда волнового пакета движется со скоростью, равной групповой скорости без изменения формы. Этот результат представляет собой приближение, которое не может уловить некоторые интересные аспекты эволюции свободной квантовой частицы. Примечательно, что ширина волнового пакета, измеренная по неопределенности положения, линейно растет во времени в течение больших времен. Это явление называется распространение волнового пакета для свободной частицы.

В частности, нетрудно вычислить точную формулу для неопределенности ${\displaystyle \Delta _{\psi (t)}X}$ как функция времени, где ${\displaystyle X}$ - оператор позиции. Работая в одном пространственном измерении для простоты, мы имеем:^[5]

${\displaystyle (\Delta _{\psi (t)}X)^{2}={\frac {t^{2}}{m^{2}}}(\Delta _{\psi _{0}}P)^{2}+{\frac {2t}{m}}\left(\left\langle {\frac {XP+PX}{2}}\right\rangle _{\psi _{0}}-\left\langle X\right\rangle _{\psi _{0}}\left\langle P\right\rangle _{\psi _{0}}\right)+(\Delta _{\psi _{0}}X)^{2}}$,

куда ${\displaystyle \psi _{0}}$ - волновая функция нулевого времени. Выражение в скобках во втором слагаемом справа - квантовая ковариация ${\displaystyle X}$ и ${\displaystyle P}$.

Таким образом, для больших положительных времен неопределенность ${\displaystyle X}$ растет линейно, с коэффициентом ${\displaystyle t}$ равно ${\displaystyle (\Delta _{\psi _{0}}P)/m}$. Если импульс начальной волновой функции ${\displaystyle \psi _{0}}$ сильно локализован, волновой пакет будет распространяться медленно, и приближение групповой скорости будет оставаться хорошим в течение долгого времени. Интуитивно этот результат говорит о том, что если исходная волновая функция имеет очень четко определенный импульс, то частица имеет четко определенную скорость и будет (в хорошем приближении) распространяться с этой скоростью в течение длительного времени.

Релятивистская квантовая свободная частица

Основная статья: Квантовая теория поля

Существует ряд уравнений, описывающих релятивистские частицы: см. релятивистские волновые уравнения.

Смотрите также

• Волновой пакет
• Групповая скорость
• Частица в коробке
• Конечный квадрат колодца
• Дельта-потенциал

Рекомендации

• Квантовая механика, Э. Аберс, изд. Пирсона, Эддисон Уэсли, Prentice Hall Inc., 2004 г., ISBN  978-0-13-146100-0
• Квантовая физика атомов, молекул, твердых тел, ядер и частиц (2-е издание), Р. Эйсберг, Р. Резник, John Wiley & Sons, 1985 г., ISBN  978-0-471-87373-0
• Стационарные состояния, A. Holden, College Physics Monographs (США), Oxford University Press, 1971, стр. ISBN  0-19-851121-3
• Холл, Брайан К. (2013), Квантовая теория для математиков, Тексты для выпускников по математике, 267, Спрингер, ISBN  978-1461471158
• Демистификация квантовой механики, Д. МакМахон, Мак Гроу Хилл (США), 2006 г., ISBN  0-07-145546 9
• Элементарная квантовая механика, Н.Ф. Мотт, Wykeham Science, Wykeham Press (Taylor & Francis Group), 1972 г., ISBN  0-85109-270-5
• Квантовая механика, Э. Заарур, Ю. Пелег, Р. Пнини, Контуры Шаума, Мак Гроу Хилл (США), 1998, ISBN  007-0540187

Специфический

1. «Лекция 9» (PDF).
2. Зал 2013 Раздел 4.1
3. Зал 2013 Разделы 4.3 и 4.4
4. Зал 2013 Уравнение 4.24
5. Зал 2013 Предложение 4.10.

дальнейшее чтение

• Новая квантовая вселенная, Т. Хей, П. Уолтерс, Cambridge University Press, 2009 г., ISBN  978-0-521-56457-1.
• Квантовая теория поля, Д. МакМахон, Мак Гроу Хилл (США), 2008 г., ISBN  978-0-07-154382-8
• Квантовая механика, Э. Заарур, Ю. Пелег, Р. Пнини, Ускоренный курс Schaum's Easy Outlines, Mc Graw Hill (США), 2006, ISBN  978-007-145533-6