Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» «ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к решению задач по атомной физике для студентов физического факультета Ростов-на-Дону 2006 Методические указания разработаны кандидатом физико-математических наук, ассистентом кафедры нанотехнологии И.Н. Леонтьевым и кандидатом физико-математических наук, зав. кафедрой нанотехнологии Ю.И. Юзюком. Ответственный редактор канд. физ.-мат. наук И.Н. Леонтьев Компьютерный набор и верстка инженер Г.А. Колесников Печатается в соответствии с решением кафедры общей физики физического факультета РГУ, протокол № 21 от 25 апреля 2006 г. 2 ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ Формула де Бройля, выражающая связь длины волны с импульсом p движущейся частицы: а) в классическом приближении ( v c , p m0 v ) 2 ; p б) в релятивистском случае (скорость v частицы сравнима со скоростью света с в вакууме p mv m0 v / 1 v 2 / c 2 ) 2 1 v2 / c2 . m0 v Связь длины волны де Бройля с кинетической энергией К частицы: а) в классическом приближении б) в релятивистском случае 2 ; 2m0 K 2 , где Е0 – энергия покоя частицы K ( K 2 E0 ) ( E0 m0 c ). Соотношение неопределенностей Гейзенберга: а) для координаты и импульса частицы p x x , где px – неопределенность проекции импульса частицы на ось х, х – неопределенность ее координаты; б) для энергии и времени Et , где Е – неопределенность энергии данного квантового состояния, t – время пребывания системы в этом состоянии. В одномерном случае временное и стационарное уравнение Шредингера будут иметь вид 2 2m ( E U ) 0 , x2 2 2 2 i U , t 2m x 2 3 i где i – мнимая единица, m – масса частицы; ( x, t ) A exp ( px Et) – волно вая функция, описывающая одномерное движение свободной частицы, А – амплитуда волны де Бройля, p – импульс частицы, Е – полная энергия частицы, U(x) – потенциальная энергия, ψ(х) – координатная часть волновой функции. Для случая трех измерений временное и стационарное уравнение Шредингера записывается в виде i 2 2 U 0 , t 2m 2 2m ( E U ) 0 , 2 2 2 2 где – оператор Лапласа. x2 y 2 z 2 2 При решении уравнения Шредингера следует иметь в виду стандартные условия, которым должна удовлетворять волновая функция: конечность (во всем пространстве), однозначность, непрерывность самой Ψ – функции и ее производной. Вероятность P обнаружить частицу (в одномерном случае) в интервале от х1 до х2 x2 P ( x) 2 dx . x1 Коэффициент прозрачности D потенциального барьера U(x): 2 x2 D exp 2m(U ( x) E )dx , x 1 где х1 и х2 – координаты точек, между которыми U > E. 4 Задача №1 Электрон, начальной скоростью которого можно пренебречь, прошел ускоряющую разность потенциалов U. Найти длину волны де Бройля для двух случаев: 1) U1 = 51 В; 1) U2 = 510 кВ. Длина волны де Бройля частицы зависит от ее импульса и определяется формулой 2 . p (1) Связь импульса p с кинетической энергией К частицы для нерелятивистского (когда К<<mc2) и для релятивистского (когда К~mc2)случаев, выражается формулами: p 2m0 K , (2) K ( K 2m0 c 2 ) . p c (3) Тогда (1) с учетом (2) и (3) в нерелятивистском и релятивистском случае примет вид 2 , 2m0 K (4) 2с K ( K 2m0 c ) 2 . (5) Чтобы решить какую из формул (4) или (5), следует применить для вычисления дебройлевской длины волны, сравним кинетическую энергию электрона, прошедшего заданные в условии разности потенциалов, с энергией покоя электрона. Кинетическая энергия электрона, прошедшего ускоряющую разность потенциалов U, определяется выражением 5 К eU . В первом случае К1 = eU1 =51 эВ, что много меньше энергии покоя электрона mec2 = 0,51 МэВ. Следовательно применяем формулу (4). Подставляя численные значения, получим 1 = 172 пм. Во втором случае К2 = eU2 = 510 кэВ, т.е. равна энергии покоя электрона. Следовательно, необходимо применить формулу (5). Произведя вычисления, получим 2 = 1,4 пм. Задача №2 Поток моноэнергетических электронов падает нормально на диафрагму с узкой щелью шириной b =2,0мкм. Найти скорость электронов, если на экране, отстоящем от щели на l = 50 см, ширина дифракционного максимума x = 0,36 мм. При дифракции на одной щели условие первого дифракционного максимума имеет вид b sin , (6) где b – ширина щели. Поскольку угол дифракции достаточно мал, то sin x . 2l (7) Подставляя (7) в (6), получаем bx . 2l (8) Дебройлевская длина волны электронов , падающих на щель, равна Подставляя (9) в (8), получим 6 2 2 . p me v (9) bx 2 . 2l me v Отсюда v 4l = 0,96·106 м/c. me bx Задача №3 Найти кинетическую энергию, при которой дебройлевская длина волны электрона равна его комптоновской длине волны. Исходя из равенства D C , где D C 2 – дебройлевская длина волны электрона, p 2 – комптоновская длина волны электрона; mc получаем 2 2 . p mc (10) Из релятивистской механики известно, что рс K ( K 2mc 2 ) , где К – кинетическая энергия частицы. Подставляя (11) в (10) получим mc 2 K ( K 2mc 2 ) , K 2 2mc2 K m 2 c 4 0 . Решая это квадратное уравнение, получим 7 (11) 2mc 2 8m 2 c 4 К . 2 Поскольку кинетическая энергия не может быть отрицательной величиной, то К ( 2 1)mc 2 . Задача №4 Пучок электронов с кинетической энергией К=10 кэВ проходит через тонкую поликристаллическую фольгу и образует систему дифракционных колец на экране, отстоящем от фольги на l= 10,0 см. Найти межплоскостное расстояние, для которого максимум отражения третьего порядка соответствует кольцу с радиусом r=1,6 см. Для решения данной задачи воспользуемся законом Вульфа-Брэгга 2d sin n , где d – межплоскостное расстояние, – угол дифракции, n – порядок дифракционного максимума, 2 – дебройлевская длина волны электронов, имею2mK щих кинетическую энергию К. Тогда 2d sin 2n . 2mK Отсюда d n 2mK sin . Поскольку l2 r2 l sin 1. r r 2 8 То d n l 2 2mK 1 r = 0,23 нм. Задача №5 Показать, что измерение координаты x частиц с помощью узкой щели шириной b вносит неопределенность в их импульсы p x такую, что xp x В момент прохождения частицами щели у них появляется неопределенность координаты x b , вследствие этого появляется неопределенность в значении импульса частиц Δpх. После прохождения щели, вследствие дифракции, частица будет находиться в пределах Рис.1 угла 2φ (φ – угол соответствующий первому дифракционному максимуму), тогда p x psin . Краю центрального дифракционного максимума (первому минимуму) получающемуся от щели шириной b, соответствует угол φ, для которого sinφ = , b 9 следовательно, p x = p откуда xp x bp = pλ . b b Так как дебройлевская длина волны определяется выражением xp x 2 , то p 2 2 , p что соответствует принципу неопределенности Гейзенберга xp x . Задача №6 Убедиться, что измерения координаты с помощью микроскопа вносит неопределенность в её импульс Δpx такую, что px x . Иметь в виду, что разрешение микроскопа d / sin , где λ-длина волны использованного света. У фотона, рассеянного на микрочастице, проекция импульса px будет равна p x p sin или с учетом того, что p 2 / получим px 2 sin . Эта величина будет характеризовать и неопределенность импульса фотона Δpx. Поскольку при рассеивании фотона на микрочастице ей также передается Рис. 2 импульс px то и неопределенность её импульса бу- дет Δpx. Т.к. неопределенность координаты частицы x d ,то xpx 2 sin 2 , sin в чем и следовало убедиться. 10 Задача №7 Электрон движется в атоме по первой боровской орбите. Принимая, что допускаемая неопределенность скорости составляет 10% от ее числового значения, определите неопределенность координаты электрона. Применимо ли в данном случае понятие траектории? Согласно правилу квантования бора mevr n . Т.к. электрон по условию задачи движется по первой (n = 1) боровской орбите, то v . me r Т.к. v 0,1v ,то v 0.1 . me r Воспользовавшись принципом неопределенностей Гейзенберга xpx учетом того, что px me vx , получим xpx xme vx 0,1me x . me r Отсюда x 10r , т.е. в данном случае понятием траектории пользоваться недопустимо. 11 и с Задача №8 Используя соотношение неопределенностей энергии и времени, определить естественную ширину спектральной линии излучения атома при переходе его из возбужденного состояния в основное. Среднее время жизни атома в возбужденном состоянии принять равным 10-8 с, а длину волны излучения – равной 600 нм. При переходе атомов из возбужденного состояния в основное существует некоторый разброс (неопределенность) в энергии испускаемых фотонов. Это связано с тем, что энергия возбужденного состояния не является точно определенной, а имеет конечную ширину Е. Согласно соотношению неопределенностей, ширина энергетического уровня Е связана со средним временем жизни атомов в этом состоянии соотношением Е . (12) Поскольку энергия фотона Е связана с длиной волны соотношением E 2c , то разбросу энергии Е, при Е<<Е, будет соответствовать разброс длин волн ( <<) E 2c 2 (13) (знак минус опущен). Выражая теперь из (13) и подставляя в него Е из (12) получим 2 = 2·10-14 м 2c это и есть естественная ширина спектральной линии. 12 Задача №9 Найти решение временного уравнения Шредингера для свободной частицы, движущейся с импульсом p в положительном направлении оси x. Поскольку в данном случае потенциальная энергия частицы равна нулю U(x) = 0, то уравнение Шредингера будет иметь следующий вид: i 2 2 . t 2m x 2 (14) Решение данного уравнения будем искать методом разделения переменных, т.е. представим в виде произведения двух функций, одна из которых зависит только от координаты x, а другая – только от времени t. ( x, t ) ( x) f (t ) . (15) Подставляя (15) в (14) получим i( x) f (t ) 2 2( x) f (t ) t 2m x 2 или f (t ) 2 ( x) i , f (t ) 2m ( x ) (16) где f (t ) f (t ) , t ( x) 2( x) . x 2 Т.к. обе части уравнения (16) являются функциями независимых переменных, то равенство правой и левой его частей возможно лишь тогда, когда они равны одной и той же константе. Из сравнения уравнения (16) со стационарным уравнением Шредингера можно видеть, что этой константой является E. Тогда 13 ( x) 2mE ( x) 0 2 f (t ) i E f (t ) 0 Общие решения данных дифференциальных уравнений должны иметь следующий вид (в этом нетрудно убедиться их непосредственной подстановкой): ( x) С1eikx С2eikx , где k f (t ) Сe it , где 2mE p ; E . Тогда для частицы, движущейся в положительном направлении вдоль оси х, искомое решение уравнения (1) будет иметь вид ( x, t ) Aei (kxt ) . (17) Данное решение будет конечным при Е > 0, причем Е в этом случае может быть любым. Волна, описываемая уравнением (17), имеет вид дебройлевской. Плотность вероятности местоположения частицы P( x) * AA* const . Это означает равновероятность нахождения частицы в любой точке пространства (оси х). Данный вывод хорошо согласуется с соотношением неопределенностей: при px = 0 x , т.е. частица «размазана» по всему пространству. Задача №10 Частица массы m находится в одномерной прямоугольной потенциальной яме шириной l с бесконечно высокими стенками. Показать, что собственные значения энергии частицы и ее нормированные собственные функции (0 < х < l) имеют вид En (22 / 2ml 2 )n 2 n ( x) 14 2 nx sin , l l n 1,2,3... Рис.3 Рис.4 Стационарное уравнение Шредингера в одномерном случае имеет вид: 2 2m ( E U ) 0 . x 2 2 (18) В области 0 < х < l потенциальная энергия равна нулю U = 0 (рис. 3), тогда 2 2m E 0. x 2 2 Введя следующее обозначения 2m E k 2 , получим 2 2 k 2 0 . 2 x (19) Полученное дифференциальное уравнение хорошо известно из теории колебаний. Решение такого уравнения имеет вид: ( x) Asin( kx ) . (20) За пределами ямы (x) = 0. Поскольку функция (x) должна быть непрерывна, то она должна обращаться в ноль на границах ямы (0)= (l)=0. Следовательно, (0) Asin 0 0 (l ) Asin kl 0 kl n , где (n = 1, 2, 3…). (21) (Случай n = 0 отпадает, потому что тогда 0, т.е. частица нигде не находится). Учитывая введенное нами обозначение: 2 2 2 En n 2ml 2 2m n 2 2 E 2 , откуда 2 l (n = 1, 2, 3…) 15 т.е. спектр энергии дискретный. Подставив (21) в (20), получим n ( x) A sin nx l Для нахождения коэффициента А воспользуемся условием нормировки x1 n2 ( x)dx x2 l l nx 2 2 nx 2 dx A sin 2 dx 1 . A sin l l 0 0 На концах интервала ( 0, l ) подынтегральная функция равна нулю, поэтому значение интеграла можно представить как произведение среднего значения квадрата синуса на ширину ямы. 1 A2 l 1 , 2 откуда A 2/ l. Т.е. собственные функции в данном случае имеют вид n ( x) 2 nx sin l l n = 1, 2, 3… Задача №11 Частица находиться в одномерной прямоугольной потенциальной яме шириной l с бесконечно высокими стенками. Найти вероятность пребывания частицы в области l/3<x<2l/3 а) если частица находиться в основном состоянии; б) если частица находиться в возбужденном состоянии (n = 3). Поясните физический смысл полученного результата, изобразив графически плотность вероятности обнаружения частицы в данном состоянии. 16 а) - функция в основном состоянии (n = 1) имеет вид: ( x) 2 x sin . l l Тогда искомая вероятность 2l x2 p ( x)dx 2 x1 2l 1 l 3 l 3 3 l 2 2 x 2 sin dx l l l 2l 3 2l 1 3 2x 1 dx cos dx x ll l l 2l l 3 3 3 l 1 2x (1 cos )dx 2 l 3 1 l 2x sin l 2 l 3 2l l 3 3 1 2l l 1 4 2 ( ) (sin sin ) 0.61 . l 3 3 2 3 3 Графически плотность вероятности обнаружения частицы в данном состоянии изображена на рис. 5 б) в данном случае -функция будет иметь следующий вид 3 (3) 2l x2 p 2 ( x)dx x1 3 l 2 3x sin l l 2 2 3x 1 sin l l l 3 2l 3 l 3 2l 1 3 6x dx cos dx ll l 3 1 2l l 1 1 ( ) (sin 4 sin 2) l 3 3 6 3 Графически плотность вероятности обнаружения частицы в данном состоянии изображена на рис. 6 Рис.5 Рис.6 17 Задача №12 Пси-функция некоторой частицы имеет вид A r / a , где r – расстояe r ние от силового центра, а – константа. Найти: а) значение константы А, б) среднее расстояние <r> частицы от центра. Значение константы А найдем из условия нормировки пси-функции (r ) 2 dV 1 , V где dV =4r2dr– объем тонкого сферического слоя толщиной dr, находящегося на расстоянии r от центра. Тогда условие нормировки принимает вид e2 r / a 2 a 2 4A 2 r dr 4A e2 r / a dr 4A2 e2 r / a 2A2a 1 . 0 r 2 0 0 2 Отсюда A 1 . 2a Как известно, среднее значение величины q, зависящей от координат 2 q q (r ) dV . V Тогда 4r 3 2 r / a 2 2 r / a 2a a 2 2 3 r r (r ) dV 4r (r ) dr e dr re dr . 2 a0 a2 2 V 0 0 2ar 2 18 Задача №13 Частица массы m с энергией равной Е движется в положительном направлении оси х и встречает на своем пути бесконечно широкий потенциальный барьер высотой U., причем Е > U (рис.7) Для областей I и II: а) запишите уравнение Шредингера б) представьте графически качественный вид ψ – функций. Найти коэффициент отражения R и коэффициент прозрачности этого барьера. Для данного барьера 0 при U ( x) U при x0 . x0 На барьер падает частица массы m энергия которой Е, исходя из волновых представлений на барьер падает дебройлевская волна ( x, t ) ei(kxt ) . Рис. 7 Поскольку у всех трех волн (падающей, отраженной и прошедшей) частота одинакова, т.к. E / , то ограничимся рассмотрением только координатной части, а именно (x). Запишем уравнения Шредингера для областей I и II x0 x0 2 k12 0 2 x где k1 2mE ; 2m( E U ) 2 . k22 0 где k2 2 x (22) (23) Решением этих уравнений будут следующие функции: 1 ( x 0) a1eik1 x b1e ik1 x ; (24) 2 ( x 0) a2eik 2 x b2e ik 2 x ; (25) 19 Падающая волна характеризуется амплитудой a1, отраженная – b1 , прошедшая – а2. Поскольку в области x > 0 имеется только прошедшая волна, то b2 = 0. Из условия непрерывности для и / в точке x = 0 следует 1 (0) 2 (0) а1 b1 а2 , /1 (0) /2 (0) а1k1 b1k1 а2 k 2 . Решая совместно эти уравнения, получим b1 k1 k2 , a1 k1 k2 a2 2k1 . a1 k1 k2 (26) Обычно - функция нормируется таким образом что а1 = 1, тогда b1 k1 k2 k1 k2 a2 2k1 . k1 k2 Качественный вид - функций в областях I и II показан на рис. 8 Рис. 8 Для определения интересующих нас коэффициентов отражения R и прозрачности D введем понятие потока плотности вероятности . Скорость распространения вероятности такого потока совпадает со скоростью частицы v p k . m m Таким образом v k и плотность потока вероятности пропорциональна величине kψψ*. В соответствии с видом ψ – функции для падающей, отраженной и прошедшей волн имеем k1a12 / k1b12 // k2 а12 . Учитывая (26) получим следующие выражения для коэффициентов R и D: 2 2 b k k R 1 1 2 , a1 k1 k2 2 k2 a2 4k1k2 . D k1 a1 (k1 k2 ) 2 20 Отсюда следует, что R + D = 1, что и должно быть по определению. Анализ выражений, полученных для R и D, показывает, что значения R и D не зависят от направления движения частицы. Заметим, что в классическом случае при Е>U R = 0. Задача №14 Частица массы m падает слева на потенциальный барьер высотой U. (рис. 7). Энергия частицы равна Е, причем Е > U. Найти эффективную глубину хэф проникновения частицы под барьер, т.е. расстояние от границы барьера до точки, в которой плотность вероятности P нахождения частицы уменьшается в е раз. Вычислить хэф для электрона, если U - E = 1,0 эВ. В данном случае вид уравнений Шредингера и ψ – функций будет совпадать со случаем, когда Е > U (см. задача №13 формулы (22) – (25)), однако k2, будет чисто мнимым k 2 ik , где i – мнимая единица, k 2m(U E ) , тогда плотность вероятности P(x) местоположения частицы в области II будет равна P( x) 2 ( x) 2 2k1 2 kx e . k1 ik Плотность вероятности нахождения частицы в точке х = 0 21 P(0) 2 (0) 2 2k1 . k1 ik Отсюда P( x) P(0)e 2 kx . Качественный вид - функций в областях I и II показан на рис. 8. Т.к. эффективная глубина проникновения частицы определяется как расстояние, на котором плотность вероятности местонахожРис. 8 дения частицы уменьшается в е раз то 2kx эф 1 . Отсюда x эф 1 . 2k 2 2m(U E ) Подставив численные значения, получим xэф 0,1 нм . Задача №15 Частица с энергией Е = 50 эВ падает слева на прямоугольный барьер, бесконечной ширины высотой U = 20 эВ (рис 7). Определите вероятность отражения частицы от этого барьера. Как было показано в предыдущей задаче, коэффициент отражения R равен 2 k k R 1 2 , k1 k2 где k1 и k2 – волновые числа волн де Бройля в областях I и II. 22 Поскольку k1 2mE k2 2m( E U ) . Отсюда 2 R E E U 2mE 2m( E U ) 2mE 2m( E U ) E E U 2 0,016 . Задача №16 Электрон с энергией Е = 4,9 эВ движется в положительном направлении оси х. Высота U потенциального барьера равна 5 эВ. При какой ширине барьера d вероятность P прохождения электрона через него будет равна 0,2? Вероятность P прохождения частицы через потенциальный барьер по своему физическому смыслу совпадает с коэффициентом прозрачности D. Тогда 2 x2 P exp 2m(U ( x) E )dx . x1 Рис. 9 Так как для данного барьера (Рис. 9) U(x) = U, х1 = 0, х2 = d, то (27) примет вид d 2 2d P exp 2m(U E ) dx exp 2m(U E ) . 0 Потенцируя это выражение, получим 23 (27) ln P 2d 2m(U E ) . Отсюда d ln(1 / P) . 2 2m(U E ) Произведя вычисления, получим d = 0.495 нм. Задача №16 Найти вероятность прохождения частицы массой m с энергией Е сквозь потенциальный барьер, показанный на рис. 10. По аналогии с предыдущей задачей 2 x2 P exp 2m(U ( x) E )dx . (28) x1 В данном случае (рис.10) E x U ( x) U 0 , , x1 l х2 = l, l U0 Рис.10 тогда (28) примет вид 2 l 2 2m l x x P exp 2m( U 0 E )dx exp ( U 0 E )dx l E l El l U0 U0 3 l 2 2m 2l x exp ( U0 E) 2 3U 0 l E l U 0 24 3 3 2 3 4 2 l m El U 0 4 2 l m l 2 2 . exp E U E ) exp U E 0 U l l 0 3 U 3 U 0 0 0 ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ Постоянная Планка 34 1,0546 10 Дж с 15 0,6582 10 эВ с Скорость света в вакууме с = 2,998108 м/c Масса электрона 0,911 10 30 Кг m e 5,486 10 4 а.е. м. 0,511МэВ Заряд электрона 19 1,602 10 Кл e 10 4,807 10 СГСЭ Электрическая постоянная Постоянная Ридберга o = 8,8510-12 Ф/м 1/4o=9109 м / Ф R 2,067 1016 с 1 25 ЛИТЕРАТУРА 1. Иродов И.Е. Задачи по квантовой физике: Учебное пособие для физ. спец. вузов. – М.: Высшая шк., 1991. – 175с. 2. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы: Учебное пособие для вузов. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. – 271с. 3. Трофимова Т.И., Павлова З.Г.: Сборник задач по курсу физики с решениями: Учебное пособие для вузов. Изд. седьмое, стереотипное– М.: Высшая шк., 2006. – 591с. 4. Чертов А.Г, Воробьев А.А. Задачник по физике. Изд. пятое, переработанное и дополненное – М.: Высшая шк., 1988. – 527с. 5. Борн М. Атомная физика. – М.: «Мир», 1970. – 483с. 6. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3 - М.: Наука., 1982. – 304с. 7. Савельев И.В. Сборник вопросов и задач по общей физики. - М.: Наука, 1982. – 271с. 26