為什麼在有限空間運動的粒子能量才量子化

時間 2021-06-02 00:40:33

1樓:emmmmmmm

如一位答主已經提出,氫原子等結構裡也有量子化的能級。所以,問題的關鍵不在於空間範圍是「有限」還是「無限」,而在於這個態是不是「bound state」,也即束縛態。

通常來說,對於乙個空間中的粒子,我們可以考慮其哈密頓量為【動能】+【空間中存在的勢場】。粗暴的理解方法是,解這個定態薛丁格方程的時候,你會發現只有當E小於某些特定的值的時候,能譜才是離散的;而高過該值時,可能存在連續能譜。前者稱束縛態,後者稱非束縛態。

這個值其實是V(r=infinite)。例子如氫原子、N維無限深/有限深方勢阱、一維delta勢阱、以及它們的組合等。

不過,還有另一種直接明了的,初看可能覺得不靠譜,但細看會覺得賊有道理的方法,就是WKB近似。對於某一空間區域,我們可以試探性地設乙個形如

exp(i*const*sqrt*x)

的「行波解」。為什麼這麼搞呢?因為半經典地來說,k^2+V=E(係數需要讀者自己加),所以上面形式上是乙個行波。

那麼對於E>V(x)的區域,根號裡面確實是正數,最後得到的也是行波;而如果E然而對於E-V(x)符號不同的區域,波函式的連續性要求一定的「連線條件」,或者叫「邊界條件」。可以想像的是,如果無窮遠處是行波,整個波函式是沒有「邊界」的,於是對由此構造的波函式實際上沒有任何限制:只需要挨個邊界地粘起來就行了。

但如果無窮遠處是指數衰減的,這實際上就會對連線條件帶來更多的要求,而這樣的連線條件往往就是能量的量子化條件。

所以WKB近似是一種從經典的角度思考,通過構造量子化條件來解決量子力學問題的,半經典近似方法。

由此也可以看到,能譜離散與否,與之直接相關的並不是空間有多大。(畢竟有限大空間實際上可以看作是外面全是無窮高勢壘)

2樓:zjm

第1個概念了,所有的粒子都是以乙個波的形式存在的,是機率波。如果空間有限大,那麼所有的波呢,只能是以駐波形式存在。如果是駐波,那麼它的波長必須和空間相匹配。

也就是說它的半波長應該等於整數,應該等於空間長度。所以能量就是量子化的。因為能量是和它的波長有關的,動量是和波長有關的能量,可以認為能量是動量的平方除上2M,前提是自由粒子。

當處於無限空間的時候。對駐波的要求仍然存在,但是這個時候嗯,因為它是無限長,所以所有的駐波都可以存在,所有的波長都可以形成駐波,於是能量就是連續的。

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