ЛИНЕЙНЫЙ ГАРМОНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ

 

Линейный гармонический осциллятор - система, совершающая одномерное движение под действием квазиупругой силы, - является моделью, используемой во многих задачах классической и квантовой теории. Пружинный, физический и математический маятники - при­меры классических гармонических осцилляторов.

Потенциальная энергия гармонического осциллятора равна

где ω_о - собственная частота колебаний осциллятора, т - масса частицы. Зависимость имеет вид параболы (рис.300), т.е. «потенциальная яма» в данном случае является параболической.

Амплитуда малых колебаний классического осциллятора определяется его полной энергией Е. В точках с координатами ±х _max полная энергия E равна потенциальной энергии. Поэтому с классической точки зрения частица не может выйти за пределы области (- x _max,+ x _max). Taкoй выход означал бы, что ее потенциальная энергия больше полной, что абсурдно, так как приводит к выводу, что кинетическая энергия отрицательна. Таким образом, классический осциллятор находится в «потенциальной яме» с координатами «без права выхода» из нее.

Гармонический осциллятор в квантовой механике - квантовый осциллятор - описывается уравнением Шредингера, учитывающим выражение для потенциальной энергии. Тогда стационарные состояния квантового осциллятора определяются уравнением Шредингера вида

где Е - полная энергия осциллятора. В теории дифференциальных уравнений доказывается, что уравнение решается только при собственных значениях энергии

Формула показывает, что энергия квантового осциллятора может иметь лишь дискретные значения, т. е. квантуется. Энергия ограничена снизу отличным от нуля, как и для прямоугольной «ямы» с бесконечно высокими «стенками», минимальным значением энергии . Существование минимальной энергии - она называется энергией нулевых колебаний - является типичной для квантовых систем и представляет собой прямое следствие соотношения неопределенностей.

Наличие нулевых колебаний означает, что частица не может находиться на дне «потенциальной ямы», причем этот вывод не зависит от ее формы. В самом деле, «падение на дно ямы» связано с обращением в нуль импульса частицы, а вместе с тем и его неопределенности. Тогда неопределенность координаты становится сколь угодно большой, что противоречит, в свою очередь, пребыванию частицы в «потенциальной яме».

Вывод о наличии энергии нулевых колебаний квантового осциллятора противоречит выводам классической теории, согласно которой наименьшая энергия, которую может иметь осциллятор, равна нулю (соответствует покоящейся в положении равновесия частице). Например, классическая физика приводит к выводу, что при T =0 энергия колебательного движения атомов кристалла должна обращаться в нуль. Следовательно, должно исчезать и рассеяние света, обусловленное колебаниями атомов. Однако эксперимент показывает, что интенсивность рассеяния света при понижении температуры не равна нулю, а стремится к некоторому предельному значению, указывающему на то, что при Т 0 колебания атомов в кристалле не прекращаются. Это является подтверждением нулевых колебаний.

Из формулы также следует, что уровни энергии линейного гармонического осциллятора расположены на одинаковых расстояниях друг от друга (рис.300), а именно расстояние между соседними энергетическими уровнями равно , причем минимальное значение энергии .

Строгое решение задачи о квантовом осцилляторе приводит еще к одному значительному отличию от классического рассмотрения. Квантово-механический расчет показывает, что частицу можно обнаружить за пределами дозволенной области в то время как с классической точки зрения она не может выйти за пределы области (- x _max, + x _max).Таким образом, имеется отличная от нуля вероятность обнаружить частицу в той области, которая является классически запрещенной. Этот результат (без его вывода) демонстрируется на рис.301, где приводится квантовая плотность вероятности w обнаружения осциллятора для состояния n =1. Из рисунка следует, что для квантового осциллятора действительно плотность вероятности w имеет конечные значения за пределами классически дозволенной области , т. е. имеется конечная (но небольшая) вероятность обнаружить частицу в области за пределами «потенциальной ямы». Существование отличных от нуля значений w за пределами «потенциальной ямы» объясняется возможностью прохождения микрочастиц сквозь потенциальный барьер.

Контрольные вопросы

*Чему равны фазовая и групповая скорости фотона?

*Как, исходя из соотношения неопределенностей, объяснить наличие естественной ширины спектральных линий?

*Что определяет квадрат модуля волновой функции?

*Почему квантовая механика является статистической теорией?

*Как изменится коэффициент прозрачности потенциального барьера с увеличением его ширины в два раза?

*Может ли частица находиться на дне «потенциальной ямы»? Определяется ли эта формой «ямы»?

*В чем отличие квантово-механического и классического описания гармонического осциллятора? В выводах этих описаний?