Przejdź do treściPrzejdź do informacji o dostępności

Podsumowanie

7.1 Funkcje falowe

  • W mechanice kwantowej stan układu fizycznego jest reprezentowany przez funkcję falową.
  • W interpretacji Borna kwadrat modułu funkcji falowej jest równy gęstości prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w konkretnym punkcie przestrzeni, a sama funkcja falowa nie jest nigdy mierzalna, natomiast mierzalne są wartości własne operatorów działających na nią.
  • Funkcja falowa powinna być zazwyczaj znormalizowana, zanim zostanie użyta do dalszych obliczeń.
  • Wartość oczekiwana jest średnią wartością wielkości fizycznej; do jej wyliczenia używa się funkcji falowej i całkowania.

7.2 Zasada nieoznaczoności Heisenberga

  • Zasada nieoznaczoności Heisenberga mówi, że niemożliwe jest jednoczesne określenie położenia i pędu cząstki z dowolnie dużą dokładnością. Iloczyn niepewności pomiarowych położenia i pędu cząstki jest zawsze równy ℏ ∕ 2 ℏ ∕ 2 \hbar / 2 lub większy.
  • Ograniczenia narzucone przez tę zasadę nie mają nic wspólnego z jakością aparatury pomiarowej, ale wynikają z falowej natury materii.
  • Niepewność pomiaru energii i czasu pokrywa się z obserwacjami eksperymentalnymi dowodzącymi, że stan kwantowy istniejący tylko przez krótką chwilę nie może mieć zdefiniowanej energii.

7.3 Równanie Schrӧdingera

  • Równanie Schrӧdingera jest podstawowym równaniem falowym mechaniki kwantowej. Pozwala nam to na dokonywanie przewidywań obserwabli fizycznych jakie są mierzone w eksperymencie fizycznym.
  • Kiedy cząstka porusza się w potencjale niezależnym od czasu, rozwiązaniem równania Schrӧdingera jest iloczyn niezależnej od czasu funkcji falowej i czynnika zależnego od czasu.
  • Równanie Schrӧdingera może być używane do opisu zjawisk fizycznych zachodzących na poziomie mikroskopowym i makroskopowym. W praktyce stosuje się zazwyczaj do opisu zjawisk w mikrościwecie.

7.4 Cząstka kwantowa w pudełku

  • Poziomy energetyczne cząstki kwantowej w pudełku określamy przez rozwiązanie niezależnego od czasu równania Schrödingera.
  • W celu rozwiązania niezależnego od czasu równania Schrödingera dla cząstki w pudełku (w nieskończonej studni potencjału) należy znaleźć rozwiązania funkcji falowej dla cząstki swobodnej, a następnie dopasować funkcję falową tak, by zerowała się na ścianach pudełka (nazywamy to zastosowaniem warunków brzegowych do rozwiązań równania Schrödingera).
  • Stany energetyczne cząstki w pudełku są skwantowane i indeksowane przez główne liczby kwantowe, będące liczbami całkowitymi.
  • Interpretacja kwantowa różni się znacząco od interpretacji klasycznej, kiedy cząstka znajduje się w niskoenergetycznym stanie z niską liczbą kwantową, czyli jest bliska stanu podstawowego.
  • W przypadku dużych liczb kwantowych, kiedy cząstka kwantowa znajduje się w bardzo pobudzonym stanie, kwantowy opis cząstki w pudełku zgadza się z opisem klasycznym w myśl zasady korespondencji Bohra.

7.5 Kwantowy oscylator harmoniczny

  • Kwantowy oscylator harmoniczny jest modelem zbudowanym na zasadzie podobieństwa do klasycznego oscylatora harmonicznego (stosujemy ten sam hamiltonian, ale wprowadzamy dla położenia i pędu operatory). Pozwala on na modelowanie zachowania wielu procesów fizycznych zachodzących w mikroświecie, takich jak wibracje molekularne.
  • Dozwolone energie (spektrum energii) kwantowych oscylatorów są dyskretne i równomiernie rozłożone (kolejne poziomy energetyczne są oddalone o tę samą wartość). Odległość pomiędzy kolejnymi poziomami energetycznymi jest stała i równa ℏ ⁢ ω ℏ ⁢ ω \hbar \omega , czyli wartości stałej Plancka pomnożonej przez ω ω \omega (gdzie ω = k ∕ m ω = k ∕ m \omega = \sqrt{k/m} , a k k \omega to stała sprężystości).
  • Wartość energii stanu podstawowego jest większa od zera. Oznacza to, że w przeciwieństwie do oscylatora klasycznego kwantowy oscylator harmoniczny nigdy nie znajduje się w stanie spoczynku. Nawet na dnie studni potencjału cząstka (np. atom czy elektron) poddana jest fluktuacjom kwantowym. Spektakularnym tego przykładem jest ciekły hel, który nie osiąga fazy stałej (występuje ona jedynie w warunkach wysokiego ciśnienia).
  • Stany stacjonarne to stany o niezależnej w czasie energii. Ich przykładami są rozwiązania niezależnego w czasie równania Schrödingera.
  • W mechanice kwantowej stacjonarne stany kwantowe posiadające niezerową gęstość prawdopodobieństwa występują również w obszarach poza klasycznymi punktami zwrotnymi (punktami, w których klasyczna cząstka odbija się od bariery potencjału, gdy E ≤ V E ≤ V E \leq V ).
  • Gdy kwantowy oscylator harmoniczny znajduje się w stanie podstawowym, można go znaleźć z największym prawdopodobieństwem w obszarze minimum energetycznego studni kwantowej. Jest to obszar o najmniejszym prawdopodobieństwie dla oscylatora klasycznego.
  • Dla wysokich liczb kwantowych ruch cząstek kwantowych zaczyna się upodabniać do ruchu oscylatorów klasycznych, co zgadza się z zasadą korespondencji Bohra (opis kwantowy odtwarza opis klasyczny na poziomie pewnych energii i dla pewnych rozmiarów geometrycznych, wykraczających poza rozmiary typowe dla mikroświata).

7.6 Tunelowanie cząstek przez bariery potencjału

  • Cząstka kwantowa znajdująca się po jednej stronie bariery potencjału o skończonej szerokości i wysokości może przeniknąć przez barierę i pojawić się po drugiej stronie. To zjawisko nazywane jest „tunelowaniem kwantowym”. Nie posiada ono odpowiednika w fizyce klasycznej.
  • Aby obliczyć prawdopodobieństwo tunelowania kwantowego, należy założyć znajomość wartości energii padającej cząstki i rozwiązać stacjonarne równanie Schrödingera w celu określenia funkcji falowej wewnątrz bariery i poza nią. Prawdopodobieństwo przetunelowania jest równe stosunkowi kwadratów amplitudy za barierą i amplitudy funkcji falowej przed barierą.
  • Prawdopodobieństwo przetunelowania zależy od energii padającej cząstki w stosunku do wysokości i szerokości bariery potencjału. Zależy od szerokości w sposób nieliniowy (wykładniczy) tak, że nawet małe jej zmiany powodują znacznie większą zmianę w prawdopodobieństwie transmisji.
  • Zjawisko tunelowania kwantowego rządzi rozpadem radioaktywnym. Wykorzystywane jest też w wielu współczesnych technologiach, takich jak skaningowy mikroskop tunelowy i nanoelektronika. SMT pozwala na obrazowanie pojedynczych atomów na powierzchniach metalicznych. Urządzenia wykorzystujące tunelowanie elektronów zrewolucjonizowały elektronikę i pozwalają na budowanie szybkich urządzeń elektronicznych o małych rozmiarach.
Cytowanie i udostępnianie
Ponowne wykorzystanie i redystrybucja tej treści w formacie cyfrowym lub drukowanym:
  • Ten podręcznik nie może być wykorzystywany do trenowania dużych modeli językowych ani w żaden inny sposób przetwarzany przez duże modele językowe lub rozwiązania generatywnej sztucznej inteligencji bez uprzedniej pisemnej zgody OpenStax Poland.
  • Ten podręcznik jest wydany na licencji Uznanie autorstwa (CC BY), co oznacza, że możesz ponownie wykorzystywać i modyfikować materiał wyłącznie w celach niekomercyjnych, musisz uznać autorstwo OpenStax Poland oraz musisz rozpowszechniać wszelkie utwory zależne na tej samej licencji.
  • Jakikolwiek komercyjny druk tego podręcznika, w tym z wykorzystaniem lokalnej lub niestandardowej drukarni, wymaga zgody OpenStax Poland oraz podania odpowiedniego cytowania.
  • Obrazy, aktywności, testy i podobne elementy tego podręcznika objęte prawami autorskimi OpenStax Poland podlegają tej samej licencji – CC-BY-NC-SA. Mogą być wykorzystywane w celach niekomercyjnych z uznaniem autorstwa. Użycie komercyjne wymaga zgody.
  • Prośby o zgodę: Każdy, kto zamierza włączyć tę treść (w tym tekst, obrazy i inne elementy) do dużych modeli językowych, wykorzystać ją w rozwiązaniach opartych na sztucznej inteligencji, użyć jej komercyjnie (w tym w druku) i/lub ma pytania dotyczące innego przypadku użycia, może skorzystać z naszego formularza wniosku o ponowne wykorzystanie.
Cytowanie i udostępnienia
  • Jeśli rozpowszechniasz tę książkę w formie drukowanej w celach niekomercyjnych, umieść na każdej jej kartce informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-3/pages/1-wstep
  • Jeśli rozpowszechniasz całą książkę lub jej fragment w formacie cyfrowym w celach niekomercyjnych, dla każdej strony zawierającej treści OpenStax musisz udostępnić utwór zależny na tej samej licencji CC-BY-NC-SA co oryginał oraz na każdym widoku strony umieścić informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-3/pages/1-wstep
Cytowanie

Poniższe informacje zawierają dane potrzebne do utworzenia cytowania w większości głównych stylów (APA, MLA itp.); musisz przeformatować i zorganizować te informacje zgodnie z wymaganiami danego stylu. Jeśli chcesz zacytować tę książkę, skorzystaj z dostępnych narzędzi do tworzenia wpisów bibliograficznych, jak np.: ten.

© 21 wrz 2022 OpenStax Poland. Treść książki została wytworzona przez OpenStax na licencji Uznanie autorstwa (CC BY). Nazwa OpenStax Poland i OpenStax, logo OpenStax Poland i OpenStax, okładki OpenStax Poland iOpenStax, nazwa OpenStax CNX oraz OpenStax CNX logo, jak również nazwa i logo Rice University oraz powiązane znaki towarowe i słowne, nie podlegają licencji Creative Commons i wykorzystanie ich jest dozwolone wyłącznie na mocy uprzedniego pisemnego upoważnienia przez Rice University.