Dərslik respublikanın universitetlərinin fizika fakültələrinin tələbələri üçün "Atom fizikası"
Download 18.1 Mb. Pdf ko'rish
|
IX F Ə S I L. BIR SIRA SADƏ SISTEMLƏR ÜÇÜN ŞREDINGER TƏNLIYININ HƏLLI Ё85. Sərbəst hissəcik Heç bir qüvvə təsir etməyən və bir düz xətt boyunca hərəkət edən hissəcik, yəni sərbəst hissəcik üçün Şredinger tənliyinin həllinə baxaq. Fərz edək ki, hissəcik x oxu boyunca hərəkət edir. Şərtə görə bu hissəciyə qüvvə təsir etmədiyi üçün 0 =
= dx du F və
buradan u(x)=const olduğundan biz hissəciyin potensial enerjisini sıfra bərabər götürə bilərik: u(x)=0. Bu halda Hamilton funksiyası hissəciyin yalnız kinetik enerjisinə bərabər olur:
2 2 = + = = .
(85.1) Onda sərbəst hissəciyin Hamilton operatoru Ё76-nın 3-cü bəndinə görə m p H x 2 ˆ ˆ 2 =
(85.2) olar. Lakin dx d i p x h − = ˆ
(85.3) olduğundan 2 2 2 2 2 2 1 ˆ dx d m dx d i m H h h − = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛− = (85.4) yaza bilərik. Onda sərbəst hissəcik üçün Şredinger tənliyi ψ ψ
H = ˆ ψ ψ
dx d m = − 2 2 2 2 h
(85.5) kimi olar. Burada 2 2 h mE k =
(85.6) işarə etsək sərbəst hissəcik üçün Şredinger tənliyi 0 2 2 = + ψ ψ
dx d
(85.7) şəklinə düşər. Bu tənliyin həlli ya sinus və kosinus funksiyaları vasitəsilə, ya da ki, ( )
ikx Ae x = ψ
(85.8)
538 kimi ifadə olunur. (85.8)-i (85.7)-də yerinə yazmaqla bilavasitə əmin olmaq olar ki, bu ψ (x) funksiyası sərbəst hissəcik üçün (85.7) Şredinger tənliyinin həllidir: A ⋅(ik) 2 +k 2 A=0.
(85.9) Fərz olunur ki, (85.8)-ə daxil olan və (85.6) kimi təyin olunan k həqiqi ədəd olmalıdır. Əgər k xəyali ədəd olsa, onda (85.8) funksiyası ( )
± = ψ
(85.10) şəklinə düşür (a–həqiqi ədəddir) və x →±∞ olduqda bu funksiya sonsuzluğa bərabər olur ki, bu da dalğa funksiyasının sonlu (Q sinfinə mənsub) olması xassəsinə ziddir. Deməli, k həqiqi ədəd olmalıdır. (85.6) ifadəsinə əsasən isə bu, o deməkdir ki, sərbəst hissəciyin enerjisi müsbət işarəli olmalıdır, yəni E ≥0. Beləliklə, dalğa funksiyasının sonlu olması xassəsi tələb edir ki, sərbəst hissəciyin enerjisi 0 ≤E≤∞ intervalında qiymətlər ola bilər, yəni kəsilməz dəyişə bilər. Deməli, sərbəst hissəciyin enerji spektri kəsilməzdir. İndi isə (85.8) dalğa funksiyasını sərbəst hissəciyin impulsu p x ilə ifadə edək. Bu məqsədlə (85.1) ifadəsindən 2 2 x p mE ± = olduğunu (85.6)-da nəzərə alsaq h 2 x p k ± =
(85.11) yaza bilərik. Onda (85.8) dalğa funksiyası aşağıdakı şəklə düşür: ( )
⋅ ± = 2 h ψ .
(85.12) (85.12) ifadəsində "müsbət" və "mənfi" işarələrini ayrılıqda götürməklə, (75.3) və (85.3) ifadələrindən istifadə edərək, p
impulsunun orta qiymətini hesablayaq: .
ˆ 2 2 x x x x p dx dx p i i dx dx dx d i dx dx p p = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = = − = = ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∞ + ∞ − ∗ ∞ + ∞ − ∗ ∞ + ∞ − ∗ +∞ ∞ − ∗ ∞ + ∞ − ∗ +∞ ∞ − ∗ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ h h h (85.13) Deməli,
( ) x p i x Ae x ⋅ = 2 h ψ
(85.14) funksiyası hissəciyin x oxu istiqamətində hərəkətini təsvir edir. İndi isə ( )
⋅ − = 2 h ψ
(85.15) funksiyası vasitəsilə (85.13)-ə oxşar hesablama aparsaq 2
− = alarıq. Bu isə onu
539 göstərir ki, (85.15) funksiyası sərbəst hissəciyin x oxunun əksi istiqamətində hərəkətini təsvir edir. Bu nəticələr Ё83-də deyilənlərə tam uyğun gəlir. Sərbəst hissəciyin enerjisi saxlandığından
= ± = = = = 2 2 2 , , 2
və deməli, 0 ' = − = ∆ x x x p p p (x və x' nöqtələrində impulslar eynidir) yaza bilərik. Deməli, sərbəst hissəciyin impulsunun ölçülməsi zamanı qeyri-müəyyənlik yoxdur ( ∆p x =0) və Heyzenberqin qeyri-müəyyənlik münasibətlərinə (Ё69) ( ∆p
⋅∆x∼ħ) görə onun koordinatı qeyri-müəyyən qalır: ∞ = ∆ ∆
p x h ~ . Başqa sözlə, sərbəst hissəciyin fəzada vəziyyətini təyin etmək olmaz. Sərbəst hissəciyin koordinatının orta qiymətini hesablamaq yolu ilə də bu müddəanın doğruluğunu bilavasitə sübut etmək olar: ∞ = = = ⋅ ⋅ = = ∞ + ∞ − +∞ ∞ − ∞ + ∞ − ∞ + ∞ − ∞ + ∞ − − ∗ ∞ + ∞ − − ∗ ∞ + ∞ − ∗ ∞ + ∞ − ∗ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ x x dx xdx dx Ae e A dx Ae x e A dx dx x x ikx ikx ikx ikx 2
2 ψ ψ ψ ψ , (85.16) yəni koordinatın qiyməti qeyri-müəyyən qalır. Yuxarıda deyilənlərdən aydın olur ki, sərbəst hissəciyin kəsilməz enerji spektri ikiqat cırlaşmışdır. Belə ki, enerjinin eyni bir E qiymətinə p x impulsunun işarəsi ilə bir-birindən fərqlənən iki dənə (85.14) və (85.15) məxsusi funksiyaları uyğun gəlir. Qeyd edək ki, sərbəst hissəcik üçün (85.7) Şredinger tənliyinin zamandan asılı olan həllini (85.8) və (85.12) funksiyalarının
h − vuruğuna hasili kimi yazmaq olar: ( )
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ ± − = = Et x p i Et i x mE i x Ae e Ae t x 2 2 , h h h ψ . (85.17) (85.17)-də "+" və "–" işarələri götürməklə alınan iki dənə funksiyanın ixtiyari xətti kombinasiyası da superpozisiya prinsipinə görə (85.7) tənliyinin həlli olacaqdır. Beləliklə, aydın olur ki, (85.8) və ya (85.12) funksiyası x-in bütün - ∞≤x≤+∞ qiymətlərində sonlu olmaq şərtini ödəyir. Lakin bu funksiya kvadratik inteqrallanmır, yəni onun modulunun kvadratının bütün fəza, yəni sərbəst dəyişənlərin bütün dəyişmə oblastı üzrə inteqralı dağılır. Doğrudan da ∞ → = = ∫ ∫ ∫ +∞ ∞ − ∗ +∞ ∞ − − ∗ +∞ ∞ − ∗ dx A A dx e e A A dx ikx ikx
ψ ψ
(85.18) olur. Buradan görünür ki, sərbəst hissəciyin (85.8) və ya (85.12) dalğa funksiyasını adi üsulla normallaşdırmaq və A normallaşdırıcı vuruğunu tapmaq olmaz. Müəyyən edilmişdir ki, operatorun məxsusi qiymətləri kəsilməz olan (bütöv spektr) bütün hallarda belə çətinlik meydana çıxır. Kəsilməz və diskret spektrlərin məxsusi funksiyaları arasındakı bu fərq xarakterik xüsusiyyətə malikdir. Diskret spektr üçün biz λ 1 , λ 2 , … diskret məxsusi qiymətlər sırasına uyğun olan ψ 1
ψ 2 , … məxsusi funksiyalarını yaza bilərik. Kəsilməz spektr üçün isə ψ (x, λ ) məxsusi funksiyası kəsilməz dəyişən λ
540
belə parametr mE p x 2 = kəmiyyətidir/. λ -nın müəyyən bir qiyməti üçün bu cür funksiyanı diskret spektrin funksiyaları ilə uyğun tutmaq olmaz. Bu belə bir fakta uyğun gəlir ki, (85.8) funksiyası ilə təsvir olunan hüdudsuz dalğa, ciddi monoxromatik dalğa kimi riyazi abstraksiyadan başqa bir şey deyildir. Məlumdur ki, real kvazimonoxromatik dalğa müəyyən intervalda kəsilməz dəyişən dalğa ədədinə malik monoxromatik dalğaların superpozisiyasından alınan özünə məxsus dalğa paketidir (Ё67). Buna oxşar olaraq, real fiziki şəraitlərdə heç vaxt vəziyyəti (- ∞,+∞) intervalında qeyri-müəyyən olan hissəciyə rast gəlinmir və belə demək olar ki, hissəcik məhdud uzunluğa malik olan bir oblastın harasındasa yerləşir. Belə hissəciyin özünü necə aparmasını təsvir edən dalğa funksiyası fəzada məhduddur. Belə dalğanı müəyyən oblastdan kənarda interferensiya nəticəsində bir-birini söndürən bir sıra hüdudsuz dalğaların superpozisiyasının nəticəsi kimi almaq olar, yəni bu dalğa əslində dalğa paketidir. Riyazi olaraq belə paket λ
∆ λ intervalı üzrə inteqral kimi göstərilə bilər: ∫ ∆ + λ λ λ λ λ ψ d x ) , ( Məlum olur ki, məxsusi diferensiallar adlanan belə inteqrallar özlərini eynilə diskret spektrin məxsusi funksiyaları kimi aparırlar, yəni onlar bir-birinə ortoqonaldır və onları adi üsulla normallaşdırmaq olar. Kəsilməz spektrin dalğa funksiyalarının normallaşdırılma-sının bu üsulu prinsipcə doğru olsa da, həddən artıq çətin olduğuna görə praktik cəhətdən əlverişli deyildir. Kəsilməz spektrə mənsub olan dalğa funksiyalarının normallaşdırılmasının digər üsulu M. Born tərəfindən təklif olunmuşdur. Bu üsulun mahiyyəti kəsilməz spektri qonşu enerji səviyyələri arasındakı fərq sonsuz kiçik olan diskret spektrə çevirməkdən ibarətdir. Bu məqsədlə fərz olunur ki, hissəcik tilinin uzunluğu L olan kubik potensial çuxurda yerləşmişdir. L-in kifayət qədər böyük qiymətində birincisi, divarların təsirini nəzərə almamaq olur və ikincisi, enerji səviyyələri arasındakı fərq o qədər kiçilir ki, spektri kvazikəsilməz, L →∞ olduqda isə kəsilməz hesab etmək mümkün olur. Bu zaman məxsusi funksiyaların normallaşdırılması isə yuxarıda şərh olunmuş məxsusi diferensiallar üsulu ilə aparılır. Born üsulunu bir qədər ətraflı surətdə nəzərdən keçirək. Fərz edək ki, bizi hissəciyin düzxətli (birölçülü) hərəkəti zamanı uzunluğu L olan oblastda hərəkəti maraqlandırır. Ona görə də heç də bütün sonsuz fəzada deyil, yalnız L uzunluqlu oblastda hissəciyin hərəkətini nəzərdən keçirməklə təkrarlanan hesab etmək, yəni dalğa funksiyası üzərinə aşağıdakı kimi periodiklik şərti qoymaq olar: ψ (x)= ψ (x+L).
(85.19) Deməli, Born metodunda dalğa funksiyasının üzərinə sərhəd şərtləri əvəzinə periodiklik şərti qoyulur. Məhz buna görə də Born metodu bəzən uzunluğa görə periodiklik metodu da adlandırılır. Aydındır ki, uzunluğa görə periodik olan, yəni (85.19) şərtini ödəyən dalğa funksiyası ilə təsvir olunan hissəcik artıq tam sərbəst hesab oluna bilməz, çünki onun hərəkəti (85.19) şərti ilə məhdudlaşmış olur. Bunun da sayəsində hissəciyin enerji spektri artıq kəsilməz olmur. Doğrudan da, (85.8) və (85.19) düsturlarına əsasən
=Ae ik(x+L) yaza bilərik ki, buradan da e ikL =1
(85.20)
541
alınır. (85.20) şərti isə o zaman ödənir ki, kL=2 π
±1,±2,±3,… (85.21) olsun. (85.6) və (85.11)-i (85.21)-də nəzərə alsaq h
p L n k = = π 2
(85.22) və 2
2 2 2 2 2 2 2 2
mL m k m p E x n ⋅ = = = h h π
(85.23) olar.
(85.23) ifadəsindən görünür ki, (85.19) periodiklik şərtini daxil etdikdən sonra hissəciyin enerjisi kəsilməz deyil, diskret qiymətlər alır (kvantlanır) və deməli, biz kəsilməz spektrdən diskret spektrə keçmiş oluruq. Bu diskret spektrin məxsusi funksiyaları isə (85.8) və (85.22)-yə əsasən ( )
⋅ = π ψ 2
(85.24) olar. Diskret spektrin məxsusi funksiyaları isə (73.35) ortonormallıq şərtini ödəyir, yəni hissəcik 2 2
x L ≤ ≤ − parçasında yerləşirsə ( ) ( ) (
( ) ( ) . ' ' sin
' 2 2 2 2 ' 2 2 2 2 ' '
L L x n n L i L L n n nn L A n n n n L A dx e A dx x x δ π π ψ ψ δ π = − − ⋅ = = = = ∫ ∫ − − − ∗
(85.25) Buradan görünür ki, normallaşmış (85.24) funksiyaları üçün A 2
L A 1 = (85.26)
olmalıdır. Deməli, (85.19) periodiklik şərtini ödəyən normallaşmış (85.24) funksiyaları ( )
x L n i n e L x π ψ 2 1 =
(85.27) kimi təyin olunur. (85.23) düsturuna əsasən iki qonşu səviyyənin enerjiləri fərqi ( )
] ( ) n n mL n n mL E E E n n n ∆ ⋅ + = − + = − = ∆ + 1 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 h h π π (85.28) olar. Burada ∆n=1, 2n+1≈2n və
h π υ 2 = = olduğunu nəzərə alsaq υ π
= ∆
E n h 2
(85.29) 542
yaza bilərik. Deməli, (85.29)-dan görünür ki, L →∞ olduqda (L-in kifayət qədər böyük qiymətində) ∆E→0 olur, yəni enerji səviyyələri bir-birinə qovuşur və enerji spektri kəsilməz olur. Məhz buna görə də kəsilməz spektrin dalğa funksiyaları əvəzinə periodiklik uzunluğuna normalanmış (85.27) dalğa funksiyalarından istifadə edilməsi heç də böyük xətalara səbəb olmur, lakin hesablamalar və alınmış nəticələrin şərhi xeyli sadələşir. İndi isə birölçülü hərəkət üçün Born metodu ilə alınmış nəticələri sərbəst hissəciyin üçölçülü hərəkət halı üçün ümumiləşdirək. Bu halda (85.7) əvəzinə aşağıdakı kimi Şredinger tənliyi yazılmalıdır: ( ) 0 , , 2 2 2 2 2 2 2 = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂
y x k z y x ψ . (85.30) Burada k–(85.6) kimi təyin olunur. Bu tənliyi dəyişənləri ayırmaq üsulu ilə (Ё83) həll etmək mümkündür. Bu məqsədlə həmin tənliyin həlli olan ψ (x,y,z) funksiyasını bir- birindən asılı olmayan üç dənə funksiyanın hasili kimi yazmaq lazımdır: ψ (x,y,z)= ψ 1 (x) ψ 2 (y) ψ 3 (z) (85.31) (85.31)-i (85.30)-da yazsaq və alınan tənliyi ψ 1
ψ 2 ⋅ ψ 3 hasilinə bölsək E z m y m x m = ∂ ∂ − ∂ ∂ − ∂ ∂ − 2 3 2 3 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 ψ ψ ψ ψ ψ ψ h h h (85.32) alınar ki, bu bərabərliyin də ödənməsi üçün sol tərəfdəki bir-birindən asılı olmayan hədlərin hər biri sabit ədədə bərabər olmalıdır: 1 2
2 1 2 1 2
x m = ∂ ∂ − ψ ψ h
2 2 2 2 2 2 1 2
y m = ∂ ∂ − ψ ψ h
(85.33) 3 2
2 3 2 1 2
z m = ∂ ∂ − ψ ψ h . Özü də burada E=E 1 +E 2 +E 3
(85.34) şərti ödənməlidir. Beləliklə, (85.30) tənliyi hər biri (85.5) tənliyinə oxşar olan üç dənə (85.33) tənliklərinə parçalanır. Bu tənliklərin hər biri üçün Born metodu ilə periodiklik uzunluğuna normalanmış həll (85.27) düsturu ilə təyin olunur. Ona görə də (85.33) tənliklərinin hər biri üçün (85.27) həllini (85.31)-də yazsaq, sərbəst hissəciyin üçölçülü hərəkəti üçün (85.30) Şredinger tənliyinin həlli olan və Born metodu ilə normalanmış dalğa funksiyasını almış olarıq: ( ) ( )
( )
k i z k y k x k i e L e L r z y x r r r 3 3 1 1 , , 3 2 1 = = = + + ψ ψ . (85.35) Burada ümumiliyi pozmadan sadəlik naminə bütün koordinatlar üçün periodiklik uzunluğu L eyni götürülmüşdür: ψ (x,y,z)= ψ (x+L,y,z),
543
ψ (x,y,z)= ψ (x,y+L,z), (85.36) (85.35)-də ψ (x,y,z)= ψ (x,y,z+L). L n k k x 1 1 2 π = = ,
n k k y 2 2 2 π = = ,
n k k z 3 3 2 π = = (85.37) işarə edilmişdir. n 1 , n 2 , n 3 kəmiyyətl dəki mi ixtiyari tam ə əri (85.21)- ki (müsbət, mənfi v sıfır) qiymətlər ala bilər. (85.17)-yə oxşar olaraq zamandan asılı olan dalğa funksiyasını ( ) (
Et r p i e t r − = r r h r 1 , ψ
L 3 (85.38) kimi yazmaq olar. Əslində (85.35) və (85.38) dalğa funksiyalarına n 1 , n 2 , n 3 indeksləri də yazılmalıdır. (85.38) ifadəsində, (85.22) və (85.23)-ə uyğun olaraq ,
r h r =
( 2 2 2 2 2
p E = = h π ) 2 3 2 2 1 2 2 n n mL m + + (85.39) işarə edilmişdir. (85.38) dalğa funksiyaları birölçülü hal üçün (85.25)-ə uyğun olaraq (85.35) və ya aşağıdakı ortonormallıq şərtini ödəyirlər: ( )
( ) ' ' ' ' ' ' 3 2 1 3 2 1 ,
n n n n n r t r ψ ψ ∫ ∗ 3 3 2 2 1 1
, n n n n n n dV t δ δ δ = r r . (85.40) Nəhayət, qeyd edək ki, periodiklik uzunluğunu müxtəlif istiqam xtəlif
göt ətlər üçün mü ürsə idik (85.37), (85.38) və (85.39) ifadələri, uyğun olaraq aşağıdakı kimi olardı: 1 1 2 n k k 1
x π = = , 2 2 2 n k k π = = , 3 3 2 n k k 3
z π = = , (85.37a) 2
( )
( )
r p i e L L L t r − = r r h r 3 2 1 1 , ψ ,
(85.38a) ,
p r h r = , ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + = = 2 3 2 3 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 2
n L n L n m m p E h π . (85.39a) Kəsilməz spektrin məxsusi funksiyalarını normallaşdırmaq üçün Bornun təklif etdiyi periodiklik uzunluğu metodu praktik cəhətdən heç də həmişə əlverişli olmur. Ona görə də kvant mexanikasında mühüm rol oynayan üçüncü metoddan istifadə olunur. Bu metoda görə kəsilməz spektrin məxsusi funksiyaları Dirakın δ –funksiyasına (Ё74) normallaşdırılır. Bu metod formal olaraq əvvəlki iki metoda, yəni məxsusi diferensiallar vasitəsilə normallaşdırma və "çuxurda normalalaşdırma" metodlarına tam ekvivalentdir. Kəsilməz spektrin (85.8) məxsusi funksiyasında k dalğa ədədi kəsilməz qiymətlər alır. Bu funksiyanın ifadəsində A sabit vuruğunu tapmaq üçün həmin funksiyanı δ –funksiyaya normallayaq. Bu məqsədlə (74.32) və ya (74.38) düsturlarına əsasən
544 ( ) ( ) ( ) ( ) ∫ ∫ +∞ ∞ − − +∞ ∞ − ∗ = = − dx e A dx x x k k x k k i k k ' 2 '
' ψ ψ δ
(85.41) yazaq. Lakin Furye inteqralları nəzəriyyəsindən məlum olan (74.28) düsturuna əsasən ( ) ( ) ' 2 '
k dx e x k k i − = ∫ +∞ ∞ − − πδ
(85.42) ifadəsini (85.41)-də nəzərə alsaq 2 π
2 =1 və ya π 2 1 = A olduğunu tapırıq. Deməli, birölçülü hərəkət üçün kəsilməz spektrin δ -funksiyaya normalanmış məxsusi funksiyaları ( ) h
ikx k p k e x = = , 2 1 π ψ
(85.43) kimi olur. (74.29) ifadəsindən istifadə edərək üçölçülü hərəkət halında kəsilməz spektrin δ –
( ) ( )
h r r r r r r p k e r x k i k = = , 2 1 3 π ψ
(85.44) ifadəsini yaza bilərik.
Download 18.1 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: |
ma'muriyatiga murojaat qiling