po lożenie cz astki i od czasu (t). Dla cz astki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x)

Podobne dokumenty
po lożenie cz astki i od czasu (t). Dla cz astki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x)

w jednowymiarowym pudle potencja lu

Postulaty mechaniki kwantowej

JEDNOSTKI ATOMOWE =1, m e =1, e=1, ; 1 E 2 h = 4, J. Energia atomu wodoru lub jonu wodoropodobnego w jednostkach atomowych:

Uk lady modelowe II - oscylator

i elektronów w czasteczkach (laboratoryjnym) operator Hamiltona dla czasteczki dwuatomowej (jadra 2M b a i b; m -masa elektronu e 2 r ij

Czastka swobodna Bariera potencja lu Pud lo jednowymiarowe FEMO Pud la wielowymiarowe. Wyk lad 3. Uk lady modelowe I

Rozwiązania zadań z podstaw fizyki kwantowej

Oddzia lywania miedzycz. jony molekularne lub atomy. edzy A i B:

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Metody obliczeniowe chemii kwantowej oparte na funkcji falowej. Dla uk ladu N elektronów i K j ader atomowych hamiltonian przyjmuje postać:

POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ cd i formalizm matematyczny

Rotacje i drgania czasteczek

Postulaty interpretacyjne mechaniki kwantowej Wykład 6

Uklady modelowe III - rotator, atom wodoru

Wykład 13 Mechanika Kwantowa

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Funkcja falowa Równanie Schrödingera

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Chemia kwantowa. Pytania egzaminacyjne. 2010/2011: 1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

MONIKA MUSIAŁ POSTULATY

gęstością prawdopodobieństwa

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

Struktura elektronowa czasteczek. przybliżenie Borna-Oppenheimera. równania Schrödingera dla elektronów przy ustalonym po lożeniu jader

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Normalizacja funkcji falowej

Notatki do wyk ladu IV (z )

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Fale materii hipoteza de Broglie'a Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Chemia kwantowa - proste modele

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

Mechanika kwantowa Schrödingera

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

5 Reprezentacje połozeniowa i pedowa

Sterowalność liniowych uk ladów sterowania

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Symbol termu: edu (sumy ca lkowitego orbitalnego momentu edu i ca lkowitego spinu) Przyk lad: 2 P 3. kwantowa

CHEMIA KWANTOWA MONIKA MUSIA L. Ćwiczenia. mm

1 Postulaty mechaniki kwantowej

Wyk lad 11 1 Wektory i wartości w lasne

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

V. RÓWNANIA MECHANIKI KWANTOWEJ

II. POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ W JĘZYKU WEKTORÓW STANU. Janusz Adamowski

Niezb. ednik matematyczny. Niezb. ednik matematyczny

g liczb rzeczywistych (a n ) spe lnia warunek

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

czastkowych Państwo przyk ladowe zadania z rozwiazaniami: karpinw adres strony www, na której znajda

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

Wykład Budowa atomu 3

TEORIA FUNKCJONA LÓW. (Density Functional Theory - DFT) Monika Musia l

WYK LAD 5: GEOMETRIA ANALITYCZNA W R 3, PROSTA I P LASZCZYZNA W PRZESTRZENI R 3

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Fale materii hipoteza de Broglie'a Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Równanie Schrödingera

Mechanika Kwantowa. Maciej J. Mrowiński. 24 grudnia Funkcja falowa opisująca stan pewnej cząstki ma następującą postać: 2 x 2 )

CHEMIA KWANTOWA MONIKA MUSIA L METODA HÜCKLA. Ćwiczenia. mm

Równanie Schrödingera

Mechanika kwantowa ćwiczenia, 2007/2008, Zestaw II

Metody obliczeniowe chemii teoretycznej

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA NIEZALEŻNE OD CZASU

Rozdział 23 KWANTOWA DYNAMIKA MOLEKULARNA Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

h 2 h p Mechanika falowa podstawy pˆ 2

Notatki do wyk ladu IV (z ) Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Liczby zespolone, liniowa zależność i bazy Javier de Lucas. a d b c. ad bc

Wykład I.2 1 Kłopoty z mechaniką klasyczną. 2 Postulaty mechaniki kwantowej 1. Stan układu funkcja falowa ψ(x), ψ(x) 2 interpretacja

Stara i nowa teoria kwantowa

Michał Praszałowicz, pok strona www: th- wykład 3 godz. za wyjątkiem listopada Egzamin: esej max.

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

Metody rozwiązania równania Schrödingera

(U.14) Oddziaływanie z polem elektromagnetycznym

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

Stany atomu wieloelektronowego o określonej energii. być przypisywane elektrony w tym stanie atomu.

Notatki do wyk ladu V (z ) Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

Mechanika klasyczna zasada zachowania energii. W obszarze I cząstka biegnie z prędkością v I, Cząstka przechodzi z obszaru I do II.

Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

edzi (local edge detectors) Lokalne operatory wykrywania kraw

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

REZONANSY : IDENTYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI PRZEZ ANALIZĘ FAL PARCJALNYCH, WYKRESY ARGANDA

Mnożniki funkcyjne Lagrange a i funkcje kary w sterowaniu optymalnym

1. Matematyka Fizyki Kwantowej: Cześć Trzecia

Studnia skończona. Heterostruktury półprzewodnikowe studnie kwantowe (cd) Heterostruktury mogą mieć różne masy efektywne w różnych obszarach:

Elementy fizyki kwantowej. Obraz interferencyjny. Funkcja falowa Ψ. Funkcja falowa Ψ... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż.

Postulaty mechaniki kwantowej

1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Ćwiczenia. Monika Musia l

Elementy fizyki kwantowej. Obraz interferencyjny. Motto. Funkcja falowa Ψ. Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż.

Monika Musia l. METODA MIESZANIA KONFIGURACJI Configuration Interaction (CI) (ujȩcie wyznacznikowe)

Wykład 9 Podstawy teorii kwantów fale materii, dualizm falowo-korpuskularny, funkcja falowa, równanie Schrödingera, stacjonarne równanie

Przestrzenie wektorowe, liniowa niezależność wektorów, bazy przestrzeni wektorowych

Podstawowe metody i przybliżenia: metoda wariacyjna, rachunek zaburzeń

Teoria funkcjonału gęstości

Mnożniki funkcyjne Lagrange a i funkcje kary w sterowaniu optymalnym

Pierwsze kolokwium z Matematyki I 4. listopada 2013 r. J. de Lucas

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

y 1 y 2 = f 2 (t, y 1, y 2,..., y n )... y n = f n (t, y 1, y 2,..., y n ) f 1 (t, y 1, y 2,..., y n ) y = f(t, y),, f(t, y) =

Grupy i cia la, liczby zespolone

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

Transkrypt:

Stan czastki określa funkcja falowa Ψ zależna od wspó lrzȩdnych określaj acych po lożenie cz astki i od czasu (t). Dla cz astki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x) Wartości funkcji mog a być zespolone Ψ (x, t) to wartość sprzȩżona zespolona do Ψ(x, t) Ψ = Ψ(x, t) (1) Statystyczna interpretacja funkcji falowej (Max Born 196) P(x, t) = Ψ (x, t)ψ(x, t)dx = Ψ dx, () gdzie Ψ oznacza modu l funkcji zespolonej, określa prawdopodobieństwo tego, że w chwili t czastka znajduje sie w przedziale (x,x+dx) Prawdopodobieństwo znalezienia czastki w chwili t w przedziale (a,b) oblicza siȩ jako b a Ψ (x, t)ψ(x, t)dx prawdopodobieństwo zdarzenia pewnego równa si e 1 jeśli czastka może przebywać w nieograniczonym obszarze funkcja znormalizowana Ψ (x, t)ψ(x, t)dx = 1 (3) Dla czastki poruszajacej sie w przestrzeni trójwymiarowej (uk lad wspó lrzednych kartezjańskich x, y, z) funkcja falowa Ψ = Ψ(x, y, z, t) Ψ (x, y, z, t)ψ(x, y, z, t)dτ określa prawdopodobieństwo znalezienia czastki w nieskończenie ma lej objetości dτ=dxdydz w punkcie o wspó lrzednych x,y,z w chwili t Ψ (x, y, z, t)ψ(x, y, z, t) - g estość prawdopodobieństwa funkcja znormalizowana Ψ (x, y, z, t)ψ(x, y, z, t)dxdydz = 1 (4) uproszczony zapis Ψ (x, y, z, t)ψ(x, y, z, t)dτ = 1 (5)

Stany kwantowe (np. czasteczek), które nie zmieniaja sie w czasie. Dla czastki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x) ψ = ψ(x) (6) P(x) = ψ (x)ψ(x)dx = ψ dx, (7) prawdopodobieństwo tego, że czastka znajduje sie w przedziale (x,x+dx) Prawdopodobieństwo znalezienia czastki w przedziale (a,b) oblicza siȩ jako b a ψ (x)ψ(x)dx Warunek normalizacji funkcji: Funkcja znormalizowana. ψ (x)ψ(x)dx = 1 (8) Dla czastki poruszajacej sie w przestrzeni trójwymiarowej (uk lad wspó lrzednych kartezjańskich x, y, z) funkcja falowa ψ = ψ(x, y, z) ψ (x, y, z)ψ(x, y, z)dτ określa prawdopodobieństwo znalezienia czastki w nieskończenie ma lej objetości dτ=dxdydz w punkcie o wspó lrzednych x,y,z ψ (x, y, z)ψ(x, y, z) - g estość prawdopodobieństwa Warunek normalizacji funkcji: ψ (x, y, z)ψ(x, y, z)dxdydz = 1 (9) uproszczony zapis ψ (x, y, z)ψ(x, y, z)dτ = 1 (10) Funkcja znormalizowana.

zwykle RÓWNANIE W LASNE (operator) (funkcja) = LICZBA (ta sama funkcja) na przyk lad: d dx x 3 = 6x Jeśli (operator) (funkcja) = (inna funkcja) (operator) f = a f to funkcja f - funkcja w lasna operatora, liczba a - wartość w lasna operatora np. d dx sin(x) = 1 sin(x) Równanie Schrödingera niezależne od czasu dla czastki poruszajacej sie tylko w jednym wymiarze d m dxψ + V (x)ψ = Eψ (11) V (x) - wyrażenie dla energii potencjalnej (zależy od uk ladu, np. V (x) = 0 albo V (x) = 1 kx ) m - masa czastki, = h/π, gdzie h - sta la Plancka uproszczony zapis ψ zamiast ψ(x) Ĥ operator równanie Schrödingera d Ĥ = + V (x) (1) m dx Ĥψ = Eψ (13) ψ - funkcja w lasna operatora Ĥ E - wartość w lasna operatora Ĥ (można udowodnić, że jest to zawsze liczba rzeczywista) 3

znane Ĥ, szukane ψ i E rozwiazać równanie Schrödingera - znaleźć funkcje w lasne Ĥ i odpowiadajace im wartości w lasne E Funkcje w lasne operatora Ĥ - funkcje falowe, które opisuj a stany czastki o określonej energii Wartości w lasne operatora Ĥ - możliwe wartości energii uk ladu (cz astki) Na przyk lad, operator Ĥ dla jakiejś cz astki ma 3 funkcje w lasne: Ĥψ 1 = E 1 ψ 1 (14) Ĥψ = E ψ (15) Ĥψ 3 = E 3 ψ 3 (16) czastka ta może mieć energie o wartościach E 1, E albo E 3. Kiedy jest w stanie opisywanym przez funkcje falowa ψ 1, to w wyniku pomiaru energii czastki otrzymamy wartość E 1, itd. Ĥψ = Eψ (17) d Ĥ = + V (x) (18) m dx Ĥ to operator odpowiadajacy energii czastki (reprezentujacy energie ca lkowita uk ladu), Ĥ operator Hamiltona (hamiltonian) Ĥ = ˆT + ˆV ˆV operator energii potencjalnej - jego dzia lanie na funkcje polega na pomnożeniu tej funkcji przez V (x) d m dx - to operator energii kinetycznej (jednej czastki poruszajacej sie w jednym wymiarze (x)) oznaczany ˆT 4

Druga pochodna funkcji a energia kinetyczna czastki Średnia wartość bezwzgl edna drugiej pochodnej cos 5x wi eksza niż wartosć bezwzgl edna drugiej pochodnej cos x λ < λ 1, czyli (wobec relacji de Broglie a λ = h p ) p > p 1 Energia kinetyczna czastki, której odpowiada fala o wiekszej d lugości jest mniejsza. Równania Schrödingera nie można wyprowadzić W jaki sposób Schrödinger móg l wpaść na pomys l, żeby zaproponować w laśnie takie równanie? Rozważanie - L. Piela, Idee chemii kwantowej, PWN 003, str.70 Równanie Schrödingera niezależne od czasu dla czastki w przestrzeni trójwymiarowej ψ + V (x, y, z)ψ = Eψ (19) m laplasjan (operator Laplace a) = = ( x + y + z) (0) 5

Interpretacja kwadratu modu lu funkcji falowej jako gestości prawdopodobieństwa znalezienia czastki narzuca wymagania, które musza spe lniać możliwe do przyjecia funkcje w lasne operatora Ĥ. funkcje porzadne albo funkcje klasy Q ciag le jednoznaczne ca lkowalne w kwadracie musza mieć ciag l a pierwsza pochodna (bo musi istnieć druga pochodna) Przyk lad funkcji, która nie jest jednoznaczna: Aby znaleźć funkcje falowe opisujace stany uk ladu o określonej energii należy: znaleźć funkcje w lasne operatora Hamiltona wybrać tylko funkcje w lasne, które sa funkcjami porzadnymi, odpowiadajace im wartości w lasne to wartości energii uk ladu pojawia sie kwantowanie energii - energia uk ladu nie może mieć dowolnych wartości (może mieć tylko wartości, które odpowiadaja funkcjom w lasnym spe lniajacym odpowiednie warunki) 6

Każda wielkość mechaniczna reprezentowana jest przez operator operator wspó lrz ednej x wektora po lożenia: ˆx = x operator wspó lrz ednej p x wektora p edu: ˆp x = i d dx aby utworzyć operator reprezentujacy inna wielkość mechaniczna należy wyrazić te wielkość za pomoca x, y, z i p x, p y, p z i zastapić wspó lrzedne wektorów po lożenia i pedu przez ich operatory np. operator wspó lrz ednej L x wektora momentu p edu L = r p (L x = yp z zp y ): ˆL x = i (y z z y ) (1) Niech: ˆαf i = a i f i ; ˆαf j = a j f j Dla operatorów stosowanych w mechanice kwantowej, które sa tzw. operatorami hermitowskimi: f i f j dτ = 0, jeśli a i a j funkcje ortogonalne Funkcje w lasne operatora, odpowiadajace różnym wartościom w lasnym, a ortogonalne s Wartości w lasne operatora sa rzeczywiste. ( w tym przypadku: a i, a j - liczby rzeczywiste) W. Ko los, J. Sadlej Atom i czasteczka (Uzup. 6.), WNT 008 L. Piela, Idee chemii kwantowej (Dod. B.5) 7

Wynik pomiaru wielkości mechanicznej Wielkość mechaniczna A reprezentuje operator ˆα ˆαf 1 = a 1 f 1, ˆαf = a f () ˆαf 3 = a 3 f 3,... ˆαf n = a n f n (3) Stan uk ladu opisuje f 1. Wynik pomiaru A to a 1. Wartość średnia pomiaru wielkości mechanicznej Wielkość mechaniczna A reprezentuje operator ˆα. Stan uk ladu opisuje funkcja g, która nie jest funkcja w lasna operatora ˆα. Możliwe wyniki pomiaru A: a 1, a, a 3..., a n (z określonym prawdopodobieństwem) Wartość średnia ā dużej liczby pomiarów wielkości mechanicznej A: ā = g ˆαgdτ (4) ˆαf 1 = a 1 f 1, ˆαf = a f (5) g = c 1 f 1 + c f (6) c 1c 1 -prawdopodobieństwo uzyskania wyniku a 1, c c -prawdopodobieństwo uzyskania wyniku a 8

PRZYK LAD: Pewnej wartości mechanicznej A odpowiada operator ˆα. ˆαf 1 =.0 f 1, ˆαf = 3.5 f, ˆαf 3 = 5. f 3 f i f j dτ = 0, jeśli i j i f i f idτ = 1 Funkcje f 1, f, f 3 sa wzajemnie ortogonalne i znormalizowane. Stan uk ladu opisuje funkcja g = 1 3 f 1 + 6 3 f + 3 f 3 czyli c 1 = 1 3, c = 6 3, c 3 = 3 Wartość średnia pomiaru A: ā = ā = g ˆαgdτ (7) ( ) ( ) 1 6 3 f 1 + 3 f + 3 f 3 1 6 ˆα 3 f 1 + 3 f + 3 f 3 dτ (8) ā = 1 3 f 1 ˆα 1 3 f 1dτ+ 6 3 f ˆα 1 3 f 1dτ + 3 f 3 ˆα 1 3 f 1dτ+ 1 3 f 1 ˆα 6 3 f dτ+ 6 3 f ˆα 6 3 f dτ+ 3 f 3 ˆα 6 3 f dτ+ 1 3 f 1 ˆα 3 f 3dτ+ 6 3 f ˆα 3 f 3dτ+ 3 f 3 ˆα 3 f 3dτ = 1 9.0 f1 f 1 dτ+ 6 9.0 f f 1 dτ + 9.0 f3 f 1 dτ+ 6 9 3.5 f1 f dτ+ 6 9 3.5 f f dτ+ 3 9 3.5 f3 f dτ+ 9 5. f1 f 3 dτ+ 3 9 5. f f 3 dτ+ 9 5. f3 f 3 dτ= 1 9.0 + 3 3.5 + 9 5. 3.71 prawdopodobieństwo uzyskania w wyniku pomiaru wartości.0 wynosi prawdopodobieństwo uzyskania w wyniku pomiaru wartości 3.5 wynosi prawdopodobieństwo uzyskania w wyniku pomiaru wartości 5. wynosi 1 9 3 9 9

Równanie Schrödingera zależne od czasu Zmiana w czasie funkcji falowej ψ(x, y, z, t) jest określona równaniem: i ψ = Ĥψ (9) t 10