Dərslik respublikanın universitetlərinin fizika fakültələrinin tələbələri üçün "Atom fizikası"
Download 18.1 Mb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- Ё87. Sonsuz dərin düzbucaqlı potensial
Ё86. Simin rəqsləri
Sərbəst hissəcik üçün Şredinger tənliyinin həllindən (Ё85) məlum oldu ki, bu hissəciyin enerjisi 0 ≤E≤∞ intervalında kəsilməz dəyişir. Lakin hissəciyin hərəkət etdiyi oblastı məhdudlaşdırsaq, yəni hissəcik sərbəst olmasa onun enerji spektri diskret olur və bu oblastın ölçüləri böyüdükcə diskretlik zəifləyir. Sonrakı paraqraflarda kiçik hissəcikləri klassik mexanika qanunlarına tabe olan sistemlərdən kəskin fərqləndirən mühüm xüsusiyyətin, yəni diskret enerji səviyyələrinin mövcudluğunun Şredinger tənliyindən heç bir məcburiyyət olmadan alındığını göstərəcəyik. Görəcəyik ki, bu xüsusiyyət Şredinger tənliyinin diferensial tənlik olmasından irəli gələn və klassik fizikanın müəyyən məsələlərini həll edərkən diferensial tənliklərin artıq çoxdan kəşf olunmuş xassələri ilə sıx surətdə əlaqədardır. Belə klassik məsələlərdən biri bütün uzunluğu boyunca eyni sıxlığa ( ρ =const) və eyni gərilməyə (F gərilmə =const) malik olan dartılmış simin rəqsləri haqqında məsələdir. Riyaziyyatdan məlumdur ki, simin rəqs tənliyi birölçülü dalğa tənliyidir (Ё61): 2 2
2 2 1 t u x u ∂ ∂ = ∂ ∂ υ .
(86.1) Burada u(x,t)–tarazlıq vəziyyətindən simin meyli, υ –dalğanın simdə yayılma sürəti olub, simin F gərilməsi və ρ sıxlığı ilə aşağıdakı kimi əlaqədardır: ρ υ
= .
(86.2) Deməli, ρ və F sabit olduqda υ =const olur.
545
Əvvəlcə, fərz edək ki, sim hüdudsuzdur (yəni, sonsuz uzundur) və bu simdə yayılan dalğa harmonikdir (monoxromatikdir). Onda simin hər bir hissəsi harmonik rəqs etdiyi üçün (86.1) tənliyinin həllinin
ω
şəklində axtarmaq olar. Burada y(x) naməlum funksiyadır və onu tapmaq üçün (86.3)-ü (86.1)-də nəzərə almaqla e i ω
vuruğuna ixtisar edərək aşağıdakı diferensial tənliyi alırıq: 0 2 2 2 2 = +
dx y d υ ω .
(86.4) Burada λ π υ ω 2 = əvəz etsək 0 4
2 2 2 = +
dx y d λ π
(86.5) olar. Göründüyü kimi, bu tənliyin həlləri x i e λ π 2 ± funksiyalarıdır. Onda (86.5) tənliyinin ümumi həlli x i x i e B e B y λ π λ π 2 2 2 1 − + = (86.6) kimi yazıla bilər. Burada B 1 və B 2 ümumi halda xəyali sabitlərdir və δ 1
δ 2 başlanğıc fazalarını daxil etməklə bu sabitləri 1 1 1 δ
e b B = , (86.7) 2 2
δ i e b B = kimi yazmaq olar. Burada b 1 və b 2 həqiqi ədədlərdir. (86.7)-ni (86.6)-da nəzərə alsaq, həqiqi b 1 və b 2 amplitudlarını daxil etməklə (86.4) tənliyinin ümumi həlli üçün ⎟ ⎠
⎜ ⎝ ⎛ + − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + = 2 1 2 2 2 1 δ λ π δ λ π
i x i e b e b y
(86.8) alarıq. (86.8)-i (86.3)-də yazaraq υ λ
ω 2 = olduğunu nəzərə alsaq isə, (86.1) diferensial tənliyinin ümumi həllini tapmış oluruq: ( ) (
( ) ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + − − ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + + + = 2 1 2 2 2 1 , δ υ λ π δ υ λ π
x i t x i e b e b t x u . (86.9) Bu həllin həqiqi hissəsi ( )
( ) ( ) ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + − + ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + + = 2 2 1 1 2 cos 2 cos
, δ υ λ π δ υ λ π t x b t x b t x u (86.10) olar. (86.9) və ya (86.10) funksiyasındakı hədlərin hər biri sim boyunca yayılan dalğanı təsvir edir və özü də birinci hədd soldan sağa (+ υ sürəti) yayılan dalğaya uyğun gəlirsə, ikinci hədd sağdan sola (- υ sürəti) yayılan dalğaya uyğun gəlir. İndi isə b 1 =b 2 =a/2 götürək və (86.10) ifadəsinə daxil olan kosinusların cəmini 2 cos
2 cos
2 cos
cos β α β α β α − + = +
(86.11) düsturuna əsasən çevirək:
546 ( ) ( ) . cos
' 2 cos 2 cos
' 2 cos , δ ω δ λ π δ υ λ π δ λ π + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + =
a t x a t x u
(86.12) Burada 2 ' 2 1 δ δ δ + = , 2 2 1 δ δ δ − = işarə edilmişdir. (86.12) ifadəsindən görünür ki, x-in 0 '
cos = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + δ λ π x
(86.13) şərtini ödəyən qiymətlərində t-nin ixtiyari qiymətində u(x,t) meyli sıfra bərabər olur. (86.14) (86.14) sərhəd şərtinə görə (86.12) ifa ⋅ cos( ω t+ δ )=0 (86.15) şəklinə düşür. (86.15) bərab r ba a Deməli, (86.12) funksiyası simdə yayılan durğun dalğanı təsvir edir. Bu isə o deməkdir ki, simdə meylin həmişə sıfra bərabər olduğu yerlər, yəni düyünlər və bu düyünlərin arasında isə meylin həmişə maksimum olduğu yerlər, yəni qarın nöqtələri vardır. İndi isə fərz edək ki, simin bir ucu məsələn, x=0 nöqtəsində sərt bərkidilmişdir. Bu halda məsələnin həlli üçün bir dənə sərhəd şərti meydana çıxır: u(0,t)=0.
dəsi u(0,t)=acos δ′ ərliyi a=0 t ivial halından şqa, y lnız ( ) 2 1 π 2 ' δ + = n olduqda ödənir. Onda (86.14) sərhəd şərti daxilində (86.12) ifadəsini ( )
( ) δ ω π + ⋅ =
x a t x u cos
2 sin
,
λ (86.16) kimi yazmaq olar. lu uzunluğuna malikdirsə və onun hər iki ucu sərt bərkidilmişdirsə,
(86.17) (86.17)-dəki 1-ci sərhəd şərtinin əlum olan (8 .16) h ; 2-ci Əgər sim l son onda (86.12) həlli aşağıdakı kimi iki sərhəd şərtini ödəməlidir: u(0,t)=0; u(l,t)=0.
tətbiqi bizə artıq m 6 əllini verir sərhəd şərtini (86.12)-də nəzərə alsaq isə l-in ixtiyari sonlu qiyməti üçün ödənməli olan ( )
( ) ( ) ( ) 0 cos
2 sin
2 = + ⋅ = ⎥⎦ ⎢⎣ δ ω λ π λ t l a
(86.18) şərtini alırıq. Bu şərtin ödənməsi üçün isə cos
1 2 2 cos , = + ⎤ ⎡ + + = δ ω π π t n l a t l u ,...
3 , 2 , 1 , 2 ⋅l π = = n n n π λ (86.19) və ya
, 2
n n π λ π ⋅ = l n n n πυ υ λ π ω ⋅ = = 2
(86.20) olmalıdır. Beləliklə, (86.19) və (86.20)-ni (86.12)-də nəzərə alsaq, (86.1) diferensial tənliyi üçün (86.17) sərhəd şərtlərini ödəyən sonsuz sayda u n (x,t) həllər çoxluğunu tapmış olarıq: ( ) (
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⋅ = + = δ πυ π δ ω π
l n l x n t l x n t x u n n cos
sin cos
sin , . (86.21) Burada n=1,2,3,… müsbət tam qiymətlər alır. (86.21) funksiyaları hər iki ucu sərt bərkidilmiş simdə baş verə bilən müxtəlif durğun dalğaları və ya deyildiyi kimi, məxsusi rəqsləri təsvir edirlər. Doğrudan da, (86.21)-də
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = δ πυ π t l l x u cos
sin 1
(86.22) həllini alırıq ki, bu da x=0 və x=l kimi iki dənə düyün nöqtəsi olan durğun dalğanı təsvir edir. Çünki t-nin ixtiyari qiymətləri üçün x-in yalnız bu qiymətlərində (86.22) ilə təyin olunan u 1 (x,t) funksiyası (meyli) sıfra bərabər olur. n=2 olduqda (86.21)-dən ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = δ πυ π
l l x u 2 cos 2 sin
2
(86.23) durğun dalğasını alırıq ki, bunun da l l x , 2 , 0 = kimi üç dənə düyün nöqtəsi vardır. Bu düyün nöqtələrindən ikisi simin uclarında, biri isə ortasında yerləşir. Ümumiyyətlə isə m- ci funksiya ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = δ πυ π t l m l x m u m cos
sin .
(86.24) m+1 sayda düyün nöqtəsi olan durğun dalğanı təsvir edir. Bir qədər qabağa qaçaraq qeyd edək ki, burada m tam ədədi atom fizikası məsələlərində kvant ədədlərinə uyğun olan rol oynayır. Hər iki ucu sərt bərkidilmiş simdə yarana bilən dalğaların uzunluğu (86.19) şərtindən tapılır:
2 = λ
(86.25) simdə uzunluğu yalnız (86.25) düsturu ilə təyin olunan dalğalar yayıla bilər, çünki əks halda (86.17) sərhəd şərtləri ödənmir. Bu dalğa uzunluqlarına uyğun seçilmiş tezliklər (86.20) düsturuna əsasən ,...
3 , 2 , 1
, = ⋅ = n l n n πυ ω (86.26) olar. Bu tezliklər simin rəqslərinin məxsusi tezlikləri adlanır. Göründüyü kimi, bu tezliklər diskret sıra təşkil edir; ən kiçik tezlik l πυ ω = 1 və sonrakı tezliklər isə 548
2 ω 1 , 3 ω 1 , … olur. Yuxarıda deyilənlərə əsasən belə nəticə çıxarmaq olar ki, l x n y n π sin =
(86.27) funksiyaları 0 4 2 2 2 2 = + y dx y d λ π (86.28) diferensial tənliyini və
o zaman ödəyir ki, (86.28) tənliyinə parametr kimi daxil olan λ
(86.29) sərhəd şərtlərini yalnız dalğa uzunluğu
l n 2 = λ
qi u nl ymətlərindən birinə bərabər olsun. Bu qiymətlər parametrin məxsusi qiymətləri, onlara yğun funksiyalar isə (86.28) diferensial tə iyinin məxsusi funksiyaları adlanır. çuxurda hissəciyin hərəkəti Hissəcik üçün keçilm udlanmış fəza oblastı sonsuz dərin potensial çuxur adlan əlcə birölçülü sonsuz dərin düz
≥ ≤ ∞ l x x , 0 , Sonsuz dərin potensia uxuru hissəciyə elə böyük qüvvələr təsir edir ki, o, kənara çıxa lır. Qeyd etmək r ki, belə eal modeldir), lakin bir sıra kvant
əz
a hüd olan sonsuz hündür divarlarl ır. Sad ik naminə əvv əl bucaqlı potensial çuxurda hərəkət edən hissəcik üçün Şredinger tənliyinin necə həll edildiyinə baxaq. fərz edək ki, hissəcik x oxu boyunca hərəkət edir və onun hərəkət oblastı x=0 və x=l sonsuz hündür və keçilməz divarlarla məhdudlaşmışdır (şəkil 87.1). Bu halda hissəciyin hərəkəti 0 ≤x≤l oblastında baş verir və onun potensial enerjisi aşağıdakı kimi təyin olunur:
( ) ⎧
< =
x x u , 0 , 0
(87.1) U(x) ⎩ ⎨ l ç n sərhədlərində bilmir və həmişə potensial çuxurun daxilində qa potensial çuxur təbiətdə mövcud deyildir (yəni, o, id effektlərini izah etmək üçün o, yaxşı misaldır. Bundan başqa, bir sıra sistemləri, məsələn, metalda elektronları və ya atom nüvəsində nuklonları təqribi təsvir etmək üçün potensial çuxur modelindən müvəffəqiyyətlə istifadə etmək olur. Hissəciyin x oxu boyunca birölçülü hərəkəti üçün Şredinger tənliyi ψ ψ
H = ˆ aşağıdakı kimi yazıla bilər: lazımdı
0
U(x) x 0
Шякил
549 ( ) ( ) ( )
x E x x u dx d m ψ ψ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + − 2 2 2 2 h . (87.2) Bu tənliyi iki hal üçün, yəni potensial çuxurdan kənarda və potensial çuxurun daxilində hissəcik üçün həll etmək lazımdır. Bu məqsədlə (87.2) tənliyini ( ) E u m d − = 2 2 1 ψ
dx 2 2 h ψ (87.3) kimi yazmaq əlverişlidir. Potensial çuxurdan kənarda u(x)= ∞ olduğundan (87.3) tənliyi ∞ =
1 d ψ şəklinə düşür və buradan ψ =0 alınır, yəni potensial çuxurdan kənarda ğa funksiyası sıfra bərabərdir. Bu nəticə əslində dalğa funksiyasının belə bir xassəsinin isbatıdır ki, hissəciyin potensial enerjisi sonsuzluğa bərabər olan fəza oblastında dalğa funksiyası sıfra bərabər olur. Dalğa funksiyası kəsilməz olduğu üçün potensial çuxurun divarları üzərindəki nöqtələrdə də o, sıfra bərabər olmalıdır, yəni ψ (0)=
ψ (l)=0
2 dx ψ hissəciyin dal şərtləri ödənməlidir. 7.4) ifadələri potensial çuxurun daxilində hissəcik üçün Şredinger Qeyd edək ki, (8 tənliyini həll etməkdən ötrü sərhəd şərtləridir. (87.1)-ə görə potensial çuxurun daxilində u(x)=0 olduğundan hissəcik üçün (87.3) Şredinger tənliyi 0 2 2 = + ψ ψ
d
2 dx
(87.5) şəklinə düşür. Burada 2 2 h mE k =
(87.6) işarə edilmişdir. Aydındır ki, (87.5) tənliyinin ümu i h lli
(87.7) kimi yazılmalıdır. Lakin (87.4) ψ )=0 olması üç B=0 Asin(kx+ α )
(87.8) şəklində axtarılmalıdır. Burada A–normallaş ırıcı v 87.4) (87.9) şəklinə düşür. (87.4)-dəki ikinci nə görə
(l)=As , bu
= ±n π m ə
ψ (x)=Asinkx+Bcoskx
sərhəd şərtinə görə (0 ün (87.7)-də olmalıdır, yəni (87.5) tənliyinin həlli ψ (x)= α –başlanğıc faza, d uruqdur. ( sərhəd şərtlərinə görə ψ (0)=Asin α =0 və
α =0 olur. Onda (87.8) həlli ψ (x)=Asinkx
sərhəd şərti ψ inkl=0 alınır ki bərabərliyin də ödənməsi üçün
,
n k π ± = , n=1,2,3,… (87.10) olmalıdır. Deməli, birölçülü z ərin po u daxil
edən sonsu d tensial çuxur n ində hərəkət hissəcik üçün (87.5) Şredinger tənliyinin həlli
550 ( ) ,...
3 , 2 , 1
, =
x l sin
= n A x n π ψ (87.11) olur. Qeyd edək ki, burada n=0 ola bilməz, çünki bu, o demək ola n hər
1 n rdı ki, fəzanı yerində ψ (x)=0 olur; yəni hissəcik heç yerdə mövcud deyildir. Bu isə məsələnin şərtinə ziddir. (87.1 )-də A əmsalı ψ (x) funksiyasının normallıq şərtinə əsasən tapılır: ( ) [ ] . 2 2 cos 1 2 sin 1 2 2 2
n A dx x l l n = = = ∫ ∫ π ψ 2 0 2 0 0 l A dx x l n A l l = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −
= ∫ π Buradan
l A 2 = alınır. Beləliklə, ortonormallıq şərtini ödəyən (87.11) funksiyaları kimi təy aşağıdakı in olunur: ( )
π ψ sin 2 = ,
(87.12) (87.13) (87.6) və (87.10) düsturlarına əsasən hissəciyin enerjisi üçün ( ) ( )
' 0 '
l n n dx x x δ ψ ψ = ∫ . ,...
3 , 2 , 1
, 2 2 2 2 = ⋅ =
n E h π 2
n
(87.14) ifadəsini alırıq. Buradan görünür ki, potensial çuxurun daxilində hi əciyin enerjisi yalnız ss ,
2 2 2 E h π = E =4E , E =9E , E =16E ,… (87.15) 1
2 1 3 1 4 1 diskret qiymətlərini ala bilir, yəni k
vantlanır. Qeyd etmək vacibdir ki, enerjinin kvantlanması təbii şəkildə, yəni heç bir əlavə fərziyyə olmadan meydana çıxır. Baxdığımız halda enerjinin kvantlanması inteqrallama oblastının uclarında dalğa funksiyasının üzərinə qoyulmuş sərhəd şərtlərindən bilavasitə alınan nəticədir. (87.14) düsturundan görünür ki, sonsuz dərin birölçülü potensial çuxurda hissəciyin ən kiçik enerjisi, yəni n=1 olan halın enerjisi həmişə sıfırdan fərqlidir: E 1 ≠0. Bu isə klassik fizika təsəvvürlərinə bir növ ziddir. Çünki potensial çuxurun daxilində u(x)=0 olduğundan hissəciyə qüvvə təsir etmir və klassik fizikaya görə belə halda hissəcik sükunətdə də ola bilər. Sonsuz dərin potensial çuxurda hissəciyin minimal enerjisinin sıfırdan fərqli olması Heyzenberqin qeyri-müəyyənlik prinsipinə də (Ё69) tam uyğun gəlir. Doğrudan da potensial çuxurda hissəciyin koordinatının qeyri-müəyyənliyi ∆x∼l olduğundan onun impulsunun qeyri-müəyyənliyi
h ~ ∆ olar. Lakin p ≥∆p olduğundan hissəciyin enerjisi üçün 2 2
p h 2 2 ml m E ≥ = alınır ki, bu da E 1 enerjisi ilə eyni tərtiblidir. Hissəciyin mümkün olan ən kiçik enerjili halına onun əsas və ya normal halı deyilir.
551 Digər bütün mümkün olan əcanlanmış hallar adlanır. (87.12) və (87.14) if ünür ki, sonsuz dərin birölçülü potensial çuxu hallar isə həy adələrindən gör rda hərəkət edən hissəciyin enerji spektri cırlaşmamışdır, yəni enerjinin hər bir E n qiymətinə bir dənə ψ
dalğa funksiyası uyğun gəlir. Hissəciyin enerjisinin aldığı (87.15) diskret qiymətləri simvolik olaraq üfqi düz xətlər şəklində göstərilir və enerji səviyyələri adlanır. (87.14) düsturundan istifadə etməklə iki qonşu səviyyənin enerjiləri fərqini tapaq: ( )
2 2 2 2 2 1 + = − = ∆ + n ml E E E n n n h π (87.16) Buradan görünür ki, hissəciyin m kütləsi və onun hərəkət oblastının l ölçüsü kiçik olduqca enerji səviyyələri arasındakı fərq böyüyü yəni etliyi
(kvantlanması) özünü daha yaxşı büruzə verir və əksinə. Məsələn, l=5 əza
r, enerjinin diskr ⋅10 -8
oblastında yerləşən elektron üçün (m~10 -27
q) ∆E∼1 eV olduğu halda, kütləsi m~10 -23 q olan və l ∼10 sm ölçülü oblastda hərəkət edən molekul üçün enerji səviyyələri arasındakı fərq ∆E∼10 -20 eV olur. Bu fərq isə, məsələn kT=0,025 eV ilə müqayisədə o qədər kiçikdir ki, molekulun enerjisini praktik olaraq kəsilməz dəyişən kəmiyyət hesab etmək olar. İndi isə n n E E ∆ nisbətini tapaq. (87.14) və (87.16) düsturlarına əsasən 2 n E n =
1 2n E + ∆ n (87.17) alınır ki, buradan da 0 lim = ∆ ∞ → n n n E E
(87.18) olduğu görünür. Deməli, n kvant ədədinin çox böyük qiymətlərində enerji səviyyələri arasındakı fərq sıfra yaxınlaşır ( ∆E
→0), yəni enerji səviyy ləri el irinə qovuşur və enerjinin diskretliyi onun kəsilməz dəyişməsi ilə əvəz olunur. ə ə bil ki, bir-b Nəhayət, sonsuz dərin birölçülü potensial çuxurun daxilində hissəciyin müşahidə olunması ehtimalının sıxlığını ⎟ ⎠
⎜ ⎝ ⎛ dx dW həm klassik mexanikaya, həm də kvant mex hissəciy anikasına görə tapaq. Aydındır ki, hissəciyin dx intervalında müşahidə olunması ehtimalı klassik mexanikaya görə in həmin intervalda olması müddəti dt ilə düz mütənasibdir: dW kl ~dt. Digər tərəfdən, hissəciyə qüvvə təsir etmədikdə
= υ olduğundan dt cdx dx = 1 ~ dW kl
lı ilə düz m akin 0 ≤x≤l intervalında hissəciyin müşahidə olunması ehtimalı 1-ə bərabər olduğundan υ yaza bilərik. Yəni dW kl ehtimalı dx interva ütənasibdir. L
552 ∫ ∫ = = = = l l cl dx c dW W кл kl 0 0 1 və buradan l c 1 = alırıq. Onda klassik mexanikaya sıxlığ görə ehtimal ı
1
= =
(87.19) olur və deməli, potensial çuxurun daxilində x-dən kvant mexanikasına görə ehtimal sıxlığını tapaq. Məlumdur ki, dx dW l 2
1 0
l l 2
4 3l x n=1 n=2 dx dW l 2
1 0
l l 2
4 3l x n=1 n=2 Download 18.1 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: |
ma'muriyatiga murojaat qiling