G. ahmedova, I. Xolbayev
-§. Chiziqli garmonik ossillyator
Download 4.51 Kb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- Nazorat savollari
- VI-BOB. BIR ELEKTRONLI ATOMLAR
5.7-§. Chiziqli garmonik ossillyator Chiziqli garmonik ossillyator atom fizikasida foydalaniladigan muhim modellardan biri hisoblanadi. x o‘qi bo‘ylab kvazielastik F=– kx kuch ta’sirida harakatlanuvchi m massali zarra garmonik ossillyator deyiladi. Garmonik ossillyatorni klassik va kvant mexanikalari asosida qarab chiqish mumkin. Klassik mexanika tushunchalari asosida garmonik ossillyatorni qarab chiqaylik. Massasi m bo‘lgan mikrozarra oddiy tebranishlarni bajarib, muvozanat holatdan x masofaga siljisin (5.5-rasm). Zarra F kx = − (5.103) kuch ta’sirida harakat qiladi. Bu formulada k – doimiylik, F – elastiklik kuchi, zarra harakatiga teskari yo‘nalgan bo‘lib, zarrani dastlabki holatiga qaytarishga 5.5-rasm 165 harakat qiladi. (5.102) formulani Nyutonning ikkinchi qonuni asosida quyidagicha yozish mumkin: 2 2 d x m kx dt = − (5.104) yoki 2 2 dx d x m dt kxdx dt dt ⋅ = − Bu tenglamani integrallashdan quyidagi ifoda hosil bo‘ladi: 2 2 1 1 2 2 m kx const E ϑ + = = (5.105) (5.105) formulada birinchi had zarraning kinetik energiyasini ifodalaydi: 2 1 2 K m ϑ = (5.106) ikkinchi had esa zarraning potensial energiyasini ifodalaydi: 2 1 2 U kx = (5.107) U vaqtda ossillyator tizimining to‘liq energiyasi quyidagicha ifodalanadi: K U E const + = = (5.108) Energiyaning istalgan aniq bir qiymatida zarra ikki nuqta orasida, masalan, A (koordinatasi x=L) va A' nuqta (koordinatasi x=–L)lar orasida m k = ω chastota bilan garmonik tebranma harakat qiladi. Bunda energiya E, x va ϑ ga bog‘liq bo‘lgan istalgan qiymatlarni qabul qilishi mumkin bo‘lgani uchun uning olishi mumkin bo‘lgan qiymatlarining spektri uzluksiz bo‘ladi. 2 k m ω = (5.109) belgilash kiritib, (5.104) tenglamani quyidagicha yozish mumkin: 2 2 2 0 d x x dt ω + = (5.110) (5.110) tenglama Shredingerning 166 2 2 2 2 2 ( ) 2 0; d x mE dx ψ α ψ α + = = h (5.111) to‘lqin tenglamasiga o‘xshashdir. Shuning uchun (5.110) tenglamaning yechimini (5.111)ning yechimi kabi ifodalash mumkin: t i t i Be Ae x ω ω − + = (5.112) A va B doimiyliklarni koordinata va tezlikning dastlabki qiymatlaridan foydalanib aniqlash mumkin. Buning uchun Eyler formulasi asosida (5.112)dagi yechimni quyidagicha yozish mumkin: t D t C x ω ω sin cos + = (5.113) (5.113) ifodada hosil qilingan munosabat zarraning holatini vaqtga bog‘liq ravishda ifodalaydigan harakat tenglamasidir. Vaqtning istalgan qiymatida zarraning tezligi quyidagicha ifodalanadi: t D t C dt dx ω ω ω ω ϑ cos sin + − = = (5.114) zarra t=0 bo‘lgan vaqtda x=L bo‘lgan nuqtada bo‘lsin, u holda uning tezligi ham ϑ =0 bo‘ladi. t=0 va ϑ =0 bo‘lgan bunday boshlang‘ich shartlarda (5.114) tenglamalarda C=L va D=0 bo‘ladi. U vaqtda (5.113) va (5.114) tenglamalarni quyidagicha yozish mumkin: t L t x ω cos ) ( = (5.115) va t L t ω ω ϑ sin ) ( − = . (5.116) Endi to‘liq energiyani quyidagicha ifodalash mumkin: t kL t mL E ω ω ω 2 2 2 2 2 cos 2 1 sin 2 1 + = (5.117) zarra tebranma harakatida x=0 bo‘lgan muvozanat vaziyatidan o‘tganida maksimal ϑ max = ω L tezlikka ega bo‘ladi. Bu vaqtda potensial energiya nolga teng, ya’ni U=0 bo‘ladi. Bunday holda zarraning (garmonik ossillyatorning) to‘liq energiyasi 2 2 2 max 2 1 2 1 L m m E ω ϑ = = (5.118) kattalik bilan aniqlanadi. Agar zarra A yoki A' chetki holatlarda bo‘lsa, uning kinetik energiyasi nolga teng bo‘ladi, chunki tezlik ϑ =0. Bu holda zarraning to‘liq energiyasi faqat potensial energiyaga teng, ya’ni 167 2 2 max 2 1 2 1 kL kx E = = (5.119) Demak, klassik mexanikada chiziqli garmonik ossillyator muvozanat holati atrofida oddiy garmonik tebranishlarni bajarayotgan zarra deb qaraladi. Kvant mexanikasida garmonik ossillyatorni ko‘raylik. Yuqorida klassik mexanikada qarab chiqilgan zarrani kvant mexanikasi usullari yordamida qarab chiqish uchun tegishli Shredinger tenglamasi yechimini topish kerak. Bunda to‘lqin funksiyasining x o‘qda biror nuqtada to‘planmaganligini, shuning uchun berilgan vaqtda zarraning turgan joyini aniqlash mumkin emasligini hisobga olish zarur bo‘ladi. ψ * ψ kattalik zarraning x o‘qda istalgan kichik dx oraliqda zarrani topilish ehtimoliyati zichligini bildiradi. Shuning uchun zarraga ta’sir etuvchi kuch zarraning joylashishiga bog‘liq bo‘lsa (klassik mexanika holida qaralgandek, ya’ni F=–kx bo‘lganidek), kvant mexanikasida garmonik ossillyatorni qarab bo‘lmaydi. Haqiqatda ham kvant mexanik modelda kuch o‘z ma’nosini yo‘qotadi, lekin impuls va energiya tushunchalari saqlanadi. Kvant mexanikasida klassik mexanikadagidek ossillyator uchun vaqt funksiyasi sifatida zarraning holati va tezligini ifodalaydigan (5.115) va (5.116)ga o‘xshash tenglamalarni hosil qilib bo‘lmaydi. Lekin ossillyator energiyasini qarash mumkin, chunki energiya klassik va kvant mexanikasi masalalarida koordinata funksiyasi ko‘rinishdagi potensial energiya bilan ifodalanadi. Klassik mexanikada (5.106) tenglamadagi potensial energiya ifodasi Nyuton qonuni asosida ta’sir etuvchi kuch formulasida chiqariladi. Kvant mexanikasida esa potensial energiya 2 2 1 kx U = (5.120) Mexanik tizimni xarakterlaydigan dastlabki va asosiy kattalik hisoblanadi. Bu hol kvant mexanikasida U(x) funksiyani yangicha aniqlash vazifasini qo‘yadi. Klassik mexanikada zarra L=x max maksimal chetlanishga ega va bunda to‘liq potensial energiyaga teng degan tasavvurlar asosida (5.119) tenglama hosil qilinadi. Lekin kvant mexanikada energiyani to‘liq energiya orqali ifodalab bo‘lmaydi. Shuning uchun funksiyaga yangi shartlar qo‘yilsa, uning aniqlanish sohasi x= ±∞ gacha bo‘ladi. To‘lqin funksiyasiga 168 quyidagicha yangi shart qo‘yiladi: x →±∞ da ψ (x) → 0 bo‘lishi kerak. Bunday holda zarraning harakat manzarasi avvalgi klassik mexanikadagi kabi bo‘lmaydi, ya’ni elastik kuch ta’sirida zarraning muvozanat atrofida tebranadigan manzara bo‘lmaydi. U(x) funksiyaga yangi shart qo‘yilganda, kvant mexanikasidagi manzara potensial chuqurlikdagi to‘lqinlar tizimini eslatadi. Bu potensial chuqurlik ichida yoki tashqarisida topilish ehtimoliyati va zarra energiyasining potensial chuqurlik shakli bilan aniqlanadigan mumkin bo‘lgan barcha qiymatlarini hisoblash mumkin bo‘ladi. Bunday usulni qandaydir yo‘l bilan hamma tomonidan chegaralangan to‘lqinlarga qo‘llash mumkin. Kvant mexanikasida chiziqli garmonik ossillyator qaralganda, potensial chuqurlik ichida turg‘un to‘lqinlar mavjud deb qaraladi. Demak, potensial chuqurlik ichida bo‘lishi mumkin bo‘lgan turli turg‘un to‘lqinlarning xususiy funksiyalarini ( ψ n ) va ularga tegishli bo‘lgan xususiy energiyalarni (E n ) topish talab qilinadi. Shunday qilib, kvant mexanikasida garmonik ossillyator potensial chuqurlikdagi turg‘un to‘lqinlar tizimidan iborat deb qaraladi. Chiziqli garmonik ossillyatorning kvant mexanikasidagi bu modelini turg‘un to‘lqinlar energiyasini istalgan sondagi o‘lchashlar uchun umumlashtirish mumkin. Agar potensial chuqurlik shakli klassik mexanikadagi chiziqli garmonik ossillyator energiyasi 2 2 1 kx U = bilan aniqlansa, u vaqtda chiziqli garmonik ossillyator uchun Shredinger tenglamasi quyidagicha ifodalanadi: ψ ψ ψ E kx dx d m = + ⋅ − 2 2 2 2 2 2 h (5.121) Bu tenglamaning yechimini chiqarish matematik jihatdan murakkab bo‘lganligi va uni keltirishga zarurat yo‘qligi tufayli bu tenglamaning tayyor holdagi yechimidan foydalangan holda xususiy energiya va xususiy to‘lqin funksiyasi qiymatlarini qarash mumkin. Bir o‘lchamli garmonik ossillyatorning mumkin bo‘lgan energiyalari qiymatlarini aniqlaydigan formulani quyidagicha yozish mumkin: ν ω h n n E n + = + = 2 1 2 1 h (5.122) 169 Bunda ω =2 πν – doiraviy chastota, n – kvant soni, n=1,2,3,… qiymatlarni qabul qilib, energetik sathlar tartib raqamini ko‘rsatadi. (5.122) formula orqali hisoblangan energiya qiymatlarining spektri bir-biridan h ν masofada joylashgan energetik sathlar sistemasini hosil qiladi. Energiyaning eng kichik qiymati 2 0 ν h E = kattalikka, ikki qo‘shni energetik sathlar orasi h ν ga teng. 5.6-rasmda garmonik ossillyatorning mumkin bo‘lgan energiyalarining spektri keltirilgan. 2 0 ν h E = – ossillyatorning asosiy holatining energiyasi bo‘lib, nolli energiya deyiladi. Demak, kvant mexanikasida ossillyator energetik spektri diskret bo‘ladi. Bu spektrda ossillyator energetik sathlari orasidagi energiya farqi h ν ga teng. Bunday diskret energetik spektrlar kvant mexanik tizim chegaralangan hollarda hosil bo‘ladi. Klassik mexanikada ossillyator energetik spektri uzluksiz bo‘ladi. “Erkin” zarra, ya’ni kuch maydonidan tashqarida bo‘lgan, potensial energiyasi doimiy bo‘lgan zarra energiyaning istalgan qiymatlariga ega bo‘lishi mumkin, bunda uning spektri ham uzluksiz bo‘ladi. 5.6-rasmda ossillyator energetik sathlarining (5.122) formula orqali hisoblangan energiya qiymatlari va x o‘qida har bir sohada zarraning topilish ehtimoliyati zichligi |ψ| 2 keltirilgan. Kvant mexanikasi nuqtai nazaridan ossillyator to‘g‘risida bayon qilingan tushunchalardan yana bir muhim xulosa kelib chiqali: 5.6-rasm 170 ossillyator energiyasi nolga aylanishi mumkin emas. (5.122) formuladan ko‘rinadiki, ossillyatorning eng kichik energiyasi E 0 nolga teng bo‘lmaydi, bu nolinchi energiya deyiladi va ν h 2 1 ga teng bo‘ladi. Berilgan sohada x o‘qida zarraning topilish ehtimoliyati 5.6- rasmda energiyaning ruxsat etilgan ba’zi bir qiymatlari uchun ehtimoliyat zichligining taqsimlanishi keltirilgan. Grafikda chiziqli garmonik ossillyatorning U(r) potensial funksiyasi ifodalangan. A va A', B va B' nuqtalar kvant soni n ning berilgan qiymatida potensial energiya mumkin bo‘lgan to‘liq energiyaga teng bo‘ladigan nuqtalardir. Klassik ossillyator (5.118) formulaga asosan bu nuqtalar chegarasidan chetga chiqa olmaydi. Kvant mexanikasidagi ossillyator uchun esa ehtimoliyat zichligi chekli qiymatga ega bo‘ladi va bu chetki nuqtalar tashqarisida, ya’ni potensial chuqurlikdan tashqarida ham zarraning topilish ehtimoliyati kichik bo‘lsada, chekli qiymatga ega bo‘ladi. Nazorat savollari 1. Kvant mexanikasida mikrozarralarning holati qanday aniqlanadi? 2. To‘lqin funksiyasi Shredinger tenglamasining yechimi bo‘lishi uchun qanday shartlarni qanoatlantirish kerak? 3. To‘lqin funksiyasi amplitudasi kvadratining mohiyati nima? 4. Stasionar holat va nostasionar holatlar to‘g‘risida tushuncha bering. 5. Stasionar holatlar uchun Shredinger tenglamasini yozing va izohlang. 6. Nostasionar holatlar uchun Shredinger tenglamasini yozing va tushuntiring. 7. Xususiy funksiya va xususiy energiyalar qanday funksiya va qanday energiyalardir? 8. Normalash shartining mohiyati nima? 9. Shredinger tenglamasida zarraning qaysi xususiyati hisobga olingan? 10. Fizik kattaliklar operatorlarini qanday tushuntirasiz? Operatorlar qanday bog‘lanishni ifodalaydi? 171 11. Operatorlarni qo‘shish va ko‘paytirish qanday bajariladi? 12. Gamilton operatorlarining mohiyati nimadan iborat? 13. Zarra qachon erkin harakat qiladi va bunday harakat uchun Shredinger tenglamasi qanday ko‘rinishda yoziladi? 14. Chiziqli garmonik ossillyatorni qanday tushunasiz? 15. Ossillyator energiyasi qanday formula bilan aniqlanadi? 16. Ossillyator energiyasi nolga aylanishi mumkinmi? 172 VI-BOB. BIR ELEKTRONLI ATOMLAR Tashqi elektron qobig‘ida bitta elektron (valent elektron) harakatlanayotgan atom bir elektronli atom deyiladi. Bir elektronli atomlarga vodorod va vodorodsimon atomlar kiradi. 6.1-§. Vodorod atomi Vodorod atomi eng oddiy atom tizimi bo‘lib, u proton va elektrondan tuzilgan. Yadro maydonida bitta elektron harakatlanadi. Proton va elektron orasida elektr tortishish kuchi ta’sir qiladi. Proton massasi elektron massasidan bir necha marta m p =1836m e kattadir, shuning uchun protonni (yadroni) deyarli tinch holatda deb qabul qilish mumkin. Klassik tasavvurlarga asosan vodorod atomi tuzilishi 6.1-rasmda ko‘rsatilgan. Yadro to‘g‘ri burchakli koordinata tizimi boshida joylashgan. Elektron yadro atrofida r o‘lchamli orbita bo‘ylab Kulon tortishish kuchi ta’sirida harakatlanadi. Elektronning potensial energiyasi 2 0 ( ) 4 е U r r πε = − , (6.1) (6.1) formulada e – elektron zaryadi, ε 0 – vakuum uchun dielektrik doimiylik, ε 0 =8,85∙10 –12 f/m, r – elektron orbitasi radiusi. Kvant mexanikasi nuqtai nazaridan elektron Kulon potensial chuqurligi- da joylashgan to‘lqinlar tizimidan iborat. Bundan esa turg‘un to‘lqinlar tizimi mavjud bo‘lishligi kelib chiqadi. Bu to‘lqinlarning har biriga to‘liq energiya- ning mumkin bo‘lgan qiymati mos keladi. Bunday holda to‘lqin tenglamasini uch o‘lchamli ko‘rinishda yozish talab qilinadi. Vodorod atomi stasionar holatda bo‘lgani 6.1-расм 173 uchun vaqtga bog‘liq bo‘lmagan Shredinger tenglamasidan foydalanish qulaydir. Bunda to‘liq energiya quyidagicha: 2 2 P E U m = + . (6.2) To‘g‘ri burchakli koordinatalar tizimida uch o‘lchamli holatda Gamilton operatori quyidagicha ko‘rinishda yoziladi: U z y x m H + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ − = 2 2 2 2 2 2 2 2 ˆ h . (6.3) Masalaning simmetrik bo‘lganligidan bu o‘rinda sferik koordinatalar tizimidan foydalaniladi. Bunday sistema 6.1-rasmda keltirilgan. Rasmda radius vektor – r, qutb burchagi – θ , azimut burchagi – ϕ sferik koordinatalar hisoblanadi. Dekart koordinatalar x,y,z va sferik koordinatalar r, θ , ϕ orasida quyidagicha bog‘lanish mavjud: = = = θ ϕ θ ϕ θ cos sin sin cos sin r z r y r x . (6.4) (6.4)da keltirilgan formulalar orqali dekart koordinatalar tizimidan sferik koordinatalar tizimiga o‘tamiz. Gamilton operatorini sferik koordinatalar tizimida yozib, ma’lum matematik amallarni bajargandan so‘ng Shredingerning stasionar tenglamasini quyidagi ko‘rinishda yozish mumkin: 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 1 1 sin 2 sin 1 sin 4 r m r r r r е E r r ψ ψ θ θ θ θ ψ ψ ψ θ ϕ πε ∂ ∂ ∂ ∂ − + + ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ − + + = ∂ h (6.5) Endi to‘lqin funksiyasi r, θ va ϕ ga bog‘liq bo‘ladi. ( , , ) r ψ θ ϕ Ψ = . (6.6) Hosil qilingan (6.5) tenglamaning yechimi uchta koordinata funksiyasi ko‘paytmasi ko‘rinishida bo‘ladi. ( , , ) ( ) ( ) ( ) r R r ψ θ ϕ θ φ ϕ = Θ (6.7) 174 (6.7) ifodani (6.5) formuladagi Shredinger tenglamasiga qo‘yamiz va 2mr 2 /ћ 2 ga ko‘paytiramiz, u vaqtda: 2 2 2 2 2 2 2 0 sin sin sin 2 0 4 d dR R d R d d r dr dr d d d mr е E R r φ φ φ θ θ ϕ θ θ θ φ πε Θ Θ Θ + + + + + Θ = h (6.8) (6.8) tenglamani ψ =R Θφ ga bo‘lsak, hadlari r ga bog‘liq va θ , ϕ larga bog‘liq bo‘lmagan ifoda hosil bo‘ladi. Bu holat ikki qismni guruhlashga yordam beradi: r ga bog‘liq bo‘lgan radial va θ , ϕ ga bog‘liq bo‘lgan burchak qismlaridir. Ularning har biri bir xil bo‘lgan qandaydir doimiy songa teng qilib olinadi. Bu doimiylik sifatida ℓ(ℓ+1) qabul qilingan. 2 2 2 2 0 2 ( 1) 4 d dR mr е r E R R dr dr r πε + + = + l l h (6.9) va ) 1 ( sin sin 1 sin 1 2 2 2 + = Θ Θ + l l θ θ θ θ ϕ φ θ φ d d d d d d . (6.10) (6.10) tenglamani ikki qismga ajratish mumkin: birinchi faqat qutb burchagi θ ga, ikkinchisi faqat azimut burchagi ϕ ga bog‘liq bo‘lgan qismlardir. Buning uchun (6.10) tenglamani sin 2 θ ga ko‘paytirib, hadlarni guruhlash kerak: 0 sin ) 1 ( sin sin 1 2 2 2 = + − Θ Θ + θ θ θ θ θ ϕ φ φ l l d d d d d d . (6.11) (6.11)ning har bir qismini doimiy kattalikka tenglashtiramiz. Hosil bo‘lgan tenglamalarning istalgan yechimi ℓ ning parametr ko‘rinishidagi tegishli qiymatiga ega bo‘ladi. Bo‘linma doimiyligini 2 l m bilan belgilaymiz. Tenglamaning har ikki qismini 2 l m ga tenglashtirib va kerakli matematik amallarni bajargandan so‘ng quyidagi ikkita tenglama hosil bo‘ladi: ) 1 ( sin sin 1 sin 2 2 + = Θ Θ − l l l θ θ θ θ θ d d d d m , (6.12) 175 0 2 2 2 = + φ ϕ φ l m d d . (6.13) Shunday qilib, vodorod atomining ideallashtirilgan modeli uchun Shredingerning sferik koordinatalar tizimidagi to‘lqin tenglamasi uchta (6.9), (6.12) va (6.13) tenglamalarga ajratiladi. Tenglamalarning har biri faqat bitta koordinataga bog‘liq. Bu tenglamalarni ko‘rib chiqaylik. Download 4.51 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: |
Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling
ma'muriyatiga murojaat qiling