SCHRÖDINGER-EGYENLET SCHRÖDINGER-EGYENLET

Hasonló dokumentumok
KVANTUMJELENSÉGEK ÚJ FIZIKA

Kvantummechanikai alapok I.

1 A kvantummechanika posztulátumai

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (b) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 9. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

January 16, ψ( r, t) ψ( r, t) = 1 (1) ( ψ ( r,

Kvantummechanika gyakorlat Beadandó feladatsor Határid : 4. heti gyakorlatok eleje

Az elméleti mechanika alapjai

A spin. November 28, 2006

Mátrix-exponens, Laplace transzformáció

RENDSZERTECHNIKA 8. GYAKORLAT

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Néhány mozgás kvantummechanikai tárgyalása

Az egydimenziós harmonikus oszcillátor

Valószínűségi változók. Várható érték és szórás

I. Fejezetek a klasszikus analízisből 3

Megoldások MATEMATIKA II. VIZSGA (VK) NBT. NG. NMH. SZAKOS HALLGATÓK RÉSZÉRE (Kérjük, hogy a megfelelő szakot jelölje be!

4. Laplace transzformáció és alkalmazása

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Analízis III Parciális differenciálegyenletek

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

Differenciálegyenletek

Matematika III. harmadik előadás

Folytonos rendszeregyenletek megoldása. 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja

3. Lineáris differenciálegyenletek

Parciális dierenciálegyenletek

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

1. Komplex függvények dierenciálhatósága, Cauchy-Riemann egyenletek. Hatványsorok, elemi függvények

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Atomok és molekulák elektronszerkezete

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Differenciálegyenletek a mindennapokban

Lagrange és Hamilton mechanika

Számítási módszerek a fizikában 1. (BMETE90AF35) tárgy részletes tematikája

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

Részecskék hullámtermészete

Abszolút folytonos valószín ségi változó (4. el adás)

3. Fékezett ingamozgás

FELVÉTELI VIZSGA, július 21. Írásbeli próba MATEMATIKÁBÓL A. RÉSZ

PTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

Feladatok az 5. hétre. Eredményekkel és teljesen kidolgozott megoldásokkal az 1,2,3.(a),(b),(c), 6.(a) feladatokra

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

y = y 0 exp (ax) Y (x) = exp (Ax)Y 0 A n x n 1 (n 1)! = A I + d exp (Ax) = A exp (Ax) exp (Ax)

differenciálegyenletek

Matematika A1a Analízis

Matematika III előadás

Fourier-sorok. néhány esetben eltérhetnek az előadáson alkalmazottaktól. Vizsgán. k=1. 1 k = j.

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

Fourier transzformáció

Ipari matematika 2. gyakorlófeladatok

12. előadás - Markov-láncok I.

Differenciálegyenletek december 13.

MATEMATIKAI ÉS FIZIKAI ALAPOK

Wavelet transzformáció

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

Samu Viktória. A Helmholtz-egyenlet

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

A Schrödinger-egyenlet és egyszerű alkalmazásai

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

Diszkrét matematika I. gyakorlat

Biomatematika 2 Orvosi biometria

1. Példa. A gamma függvény és a Fubini-tétel.

2015/16/1 Kvantummechanika B 2.ZH

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

A kémiai kötés eredete; viriál tétel 1

3. előadás Stabilitás

Vektoranalízis Vektor értékű függvények

Határozatlan integrál

Tartalom. Állapottér reprezentációk tulajdonságai stabilitás irányíthatóság megfigyelhetőség minimalitás

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

A kvantummechanika alapjai

λx f 1 (x) e λx f 2 (x) λe λx f 2 (x) + e λx f 2(x) e λx f 2 (x) Hasonlóan általában is elérhető sorműveletekkel, hogy csak f (j)

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Vektoranalízis Vektor értékű függvények

1. zárthelyi,

Differenciálegyenletek gyakorlat december 5.

Numerikus integrálás április 20.

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat megoldása, június 10

Fizikai mennyiségek, állapotok

1. Bevezetés Differenciálegyenletek és azok megoldásai

Kézirat a Bevezetés a modern fizika fejezeteibe c. tárgyhoz írta: Márkus Ferenc (BME Fizika Tanszék) (utolsó módosítás: november 9.) 4.

Diszkrét matematika 1.

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Fourier sorok február 19.

Számítógépes gyakorlat MATLAB, Control System Toolbox

(1 + (y ) 2 = f(x). Határozzuk meg a rúd alakját, ha a nyomaték eloszlás. (y ) 2 + 2yy = 0,

Lagrange egyenletek. Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását

LNM folytonos Az interpoláció Lagrange interpoláció. Lineáris algebra numerikus módszerei

Differenciál egyenletek (rövid áttekintés)

Differenciálegyenlet rendszerek

[Biomatematika 2] Orvosi biometria

Átírás:

SCHRÖDINGER-EGYENLET A Scrödinger-egyenlet a kvantummecanika mozgásegyenlet, Newton II. törvényével analóg. Nem vezetető le korábbi elvekből, de intuitívan bevezetető. Egy atározott energiával és impulzussal mozgó részecskét a kvantummecanikában síkullámmal írunk le: πi ikr t pr Et ( rt, ) e e Egyelőre foglalkozzunk az egydimenziós esettel: πi i kx t px Et ( xt, ) e e SCHRÖDINGER-EGYENLET ( xt, ) e πi px Et Az E = p / (m) feltétel korlátozza a ullámfüggvény alakját. Ennek ellenőrzéséez a ullámfüggvényből leolvassuk az energiát és impulzust. A szuperpozíció elve miatt a leolvasásnak lineárisnak kell lennie! 1. próba: deriválás idő szerint πi px Et ( x, t) πi πi Ee E( x, t) t. próba: deriválás kétszer a elykoordináta szerint ( x, t) πi 4π p p x x πi πi px Et px Et e e 4π p ( x, t)

( xt, ) 4π x SCHRÖDINGER-EGYENLET p ( x, t) Osszuk egymással a két egyenletet, nem feledve ogy me = p. ( x, t ) π i E ( x, t ) t ( xt, ) 4π p ( x, t) x a szabad mozgás ( x, t) πi Scrödinger-egyenlete E ( x, t ) t i x t x t π t 8mπ x (, ) (, ) SCHRÖDINGER-EGYENLET Három dimenzióban: i π t 8mπ x y z Klasszikus ullámegyenlet: v t x y z i t 4mπ x y z

SCHRÖDINGER-EGYENLET Erőtérben (potenciál jelenlétében, ld. Hamiltonmecanika a klasszikus fizikában): i V ( x, y, z) π t 8mπ x y z Másodrendű parciális differenciálegyenlet A megoldást alapvetően megszabják: peremfeltételek kezde feltétel ( x, y, z,0) ( x, y, z, t) ( x, y, z ) 0 0 0 perem 0 0 0 a tér néány kiválasztott pontjára időfüggetlen értékek a tér minden pontjában megadott érték a nulla időpontban A SCHRÖDINGER-EGYENLET TULAJDONSÁGAI i V ( x, y, z) π t 8mπ x y z Mindenképpen komplex függvény és időben változik: Ha a kezde értéke (t = 0) valós, a teljes jobb oldal valós szám marad. A bal oldalon viszont az időbeli derivált meg van szorozva a képzetes egységgel (i), így t > 0 esetében a értékei mindenképpen komplex számok lesznek Ha csak egyetlen egy pont van a térben, aol a jobb oldal nem nulla, akkor nem leet időtől független.

A SCHRÖDINGER-EGYENLET TULAJDONSÁGAI i V ( x, y, z) π t 8mπ x y z Linearitás: t 1 1 1 t t 1 x x x 1 11 1 A SCHRÖDINGER-EGYENLET TULAJDONSÁGAI i V ( x, y, z) π t 8mπ x y z Linearitás: i 11 11 π t 8mπ x 11 11 8mπ y z V ( x, y, z) 1 1

A SCHRÖDINGER-EGYENLET TULAJDONSÁGAI i V ( x, y, z) π t 8mπ x y z Linearitás: i 1 i 1 1 1 π t π t 8mπ x 8mπ x 1 1 8mπ y 8mπ y 8mπ z 8mπ z 1 1 V ( x, y, z) V ( x, y, z) 1 1 Ha 1 és a Scrödinger-egyenlet megoldása, akkor az 1 1 + lineáris kombináció is megoldás Ezen állítás megfordítása nem igaz!!! A szuperpozíció elve A SCHRÖDINGER-EGYENLET TULAJDONSÁGAI i V ( x, y, z) π t 8mπ x y z Normálásmegőrzés: teljes t teljes 3 ( r, t) * ( r, t)d r 1 Normálás x, y, z, t * x, y, z, t dxdydz 0 Ha a kezde időpillanatban normált, akkor bármely időpillanatban is normált marad.

IDŐTŐL FÜGGETLEN SCHRÖDINGER- EGYENLET az eddigiek szerint semmiképpen nem leet független az időtől. Klasszikus fizikai analógia: az állóullámok esetében sem független az amplitúdó az időtől, anem a klasszikus ullámfüggvény előállítató egy csak időfüggő (és periodikus) és egy csak elyfüggő tag szorzataként: x, y, z, t t x, y, z idő ely (Emlékeztető) Mértékinvariancia: egy ullámfüggvény fizikai tartalmát nem változtatja meg, a szorozzuk egy e i taggal IDŐTŐL FÜGGETLEN SCHRÖDINGER- EGYENLET Mértékinvariancia: egy ullámfüggvény fizikai tartalmát nem változtatja meg, a szorozzuk egy e i taggal Ha a kvantummecanikai ullámfüggvény x, y, z, t e x, y, z alakú, akkor semelyik fizikai sajátság nem függ majd az időtől. Legyen = (= E / ), vagyis éppen a rezgés körfrekvenciája, vagyis: πe x, y, z, t e x, y, z

IDŐTŐL FÜGGETLEN SCHRÖDINGER- EGYENLET πe x, y, z, t e x, y, z Írjuk be ezt a Scrödinger-egyenletbe: πe πe e x, y, z e x, y, z i π t 8mπ x πe πe e x, y, z e x, y, z 8mπ y 8mπ z πe V ( x, y, z)e x, y, z IDŐTŐL FÜGGETLEN SCHRÖDINGER- EGYENLET πe πe e x, y, z e x, y, z i π t 8mπ x πe πe e x, y, z e x, y, z 8mπ y 8mπ z πe V ( x, y, z)e x, y, z πe πe πe i πe e e i π 8mπ x πe πe e e 8mπ y 8mπ z V ( x, y, z)e

IDŐTŐL FÜGGETLEN SCHRÖDINGER- EGYENLET πe πe i πe e e i π 8mπ x πe πe e e 8mπ y 8mπ z V ( x, y, z)e πe E 8mπ x y z V ( x, y, z) IDŐTŐL FÜGGETLEN SCHRÖDINGER- EGYENLET E 8mπ x y z V ( x, y, z) E V ( x, y, z) 8mπ x y z Időtől független Scrödinger-egyenlet, kvantummecanikai állóullám

IDŐTŐL FÜGGETLEN SCHRÖDINGER- EGYENLET E V ( x, y, z) 8mπ x y z A kémia részecskék elektronszerkezetének leírására legasznosabb forma: nem mozgásegyenlet, anem állapotegyenlet már nem feltétlenül komplex függvény, leet valós is normáltságmegőrzés: nem értelmes, normált a peremfeltételek még mindig fontosak, kezde feltételek nincsenek a linearitás még mindig (nagyon) fontos OPERÁTOROK függvényekez másik függvényt rendelő függvények Példa: differenciálányados (független változó: t) f t d f dt lim f t 0 f d dt at b a at b 4at 4 3 sin a cos bt ab bt

OPERÁTOROK Más jelölés a differenciálányadosra: d ˆ dt t ˆ f t df t dt Nevezetes operátorok a matemakában: ˆ,, x y z Nabla operátor: többváltozós függvényből vektorértékű függvény más név: gradiens operátor ˆ ˆ x y z Laplace-operátor: többváltozós függvényből skalárértékű függvény OPERÁTOROK Nevezetes operátorok a matemakában, áromváltozós, vektorértékű függvények esetében: f fx, fy, fz f f z y f f x f z y fx rot f,, y z z x x y divf rotáció operátor f f fz x y z x y divergencia operátor

OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN A kvantummecanikában a ullámfüggvényből fizikai mennyiségekez operátorok segítségével jutatunk el: i i pˆ,, ˆ π x y z π az impulzus operátora ˆ H V ( x, y, z) 8mπ x y z az energia operátora, Hamilton-operátor egyszerű szorzás Analógia a Hamilton-függvénnyel (Hamilton-mecanika): ˆ ˆ p H V ( x, y, z) m OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN ˆx x az x elykoordináta operátora (szorzás) rˆ r x, y, z a elyvektor operátora (szorzás) ˆ L y z, z x, x y iπ z y x z y x az impulzusmomentum operátora A szuperpozíció elve miatt a kvantummecanika operátorai csak lineárisak leetnek H ˆ H ˆ H ˆ 1 1 1 1 pˆ pˆ pˆ 1 1 1 1

OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN i V ( x, y, z) π t 8mπ x y z Scrödinger-egyenlet ˆ H V ( x, y, z) 8mπ x y z A Scrödinger-egyenlet rövidített jelölésekkel: i ˆ Hˆ π t Hamilton-operátor OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN E V ( x, y, z) 8mπ x y z az időtől független Scrödinger-egyenlet E Hˆ szorzás az energiával az operátor at a függvényre Nevezetes matemakai jelenség: egy operátor at egy függvényre, s eredményként az erede függvényt kapjuk egy állandóval megszorozva, ekkor: az állandó az operátor egy sajátértéke a függvény az operátor egy sajátfüggvénye

OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN Az időtől független Scrödinger-egyenlet Ĥ E A Hamilton-operátor (azaz energiaoperátor) sajátérték-egyenlete Más példa sajátérték-egyenletre: ˆ tf df t dt kf kf t A differenciálányados-operátor sajátérték-egyenlete Az exponenciális függvény (e kt ) a differenciálányadosoperátor sajátfüggvénye! OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN Egy térkoordináta (x) sajátérték-egyenlete: x a A sajátfüggvény nem folytonos: Dirac-delta függvény x a x 0 0 a x 0 x dx 1

OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN Egy térkoordináta (x) sajátérték-egyenlete: x a A sajátfüggvény nem folytonos: Dirac-delta függvény az adott a sajátértékez: a x x a A Dirac-delta függvény a normál eloszlás atárértéke nulla szórásra: OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN Képzeljük el az időtől független Scrödinger-egyenlet két különböző energiáoz tartozó megoldását: E H ˆ E H ˆ 1 1 1 Ha E 1 E, akkor 1 és két különböző egyenlet megoldása, ezért lineáris kombinációjuk nem lesz feltétlenül az időtől független Scrödinger-egyenlet megoldása. De legyen: πe πe 1 x, y, z, t e x, y, z e x, y, z 1 1

OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN E H ˆ E ˆ H 1 1 1 πe πe 1 x, y, z, t e x, y, z e x, y, z 1 1 A Scrödinger-egyenletbe beírva: πe1 πe πe1 πe i ˆ ˆ t 1e 1 e H 1e 1 e π i πe i πe ˆ ˆ π π π E1 π π 1 π 1 1 1 e E e E E 1e i i H1 e H πe1 πe πe1 ˆ πe ˆ 1e E11 e E 1e H1 e H πe1 πe1 ˆ 1e E11 1e H1 πe πe ˆ e E e H OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN πe1 πe πe1 ˆ πe ˆ 1e E11 e E 1e H1 e H Ha E 1 E, akkor 1 és lineáris kombinációja nem feltétlenül az időtől független Scrödinger-egyenlet megoldása, de az időtől függő Scrödinger-egyenletnek még mindig megoldása! Így 1 és lineáris kombinációja a Hamiltonoperátornak nem sajátfüggvénye, de még mindig tükröze a megfigyelt valóságot. A lineáris kombináció két állapot szuperpozíciója: az energiának nincs atározott értéke, E 1 és E is leet bizonyos valószínűséggel.

OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN Több operátor egymás után is asználató. Itt általában az alkalmazás sorrendje fontos, vagyis az operátorok nem felcseréletők. Visszatérve az egydimenziós példáoz: ˆ ˆ i ix xpx x π x π x i x i ˆ ˆ px x x π x π x Két operátor kommutátora a két különböző sorrendben alkalmazott változat különbsége: i p ˆ, ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ x x px x xpx π OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN i p ˆ, ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ x x px x xpx π i p ˆ, ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ y y py y ypy π i p ˆ, ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ z z pzz zpz π Azonban: pˆ xˆ xp ˆˆ y y p ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ y, x py x xpy i x i x 0 π y π y

OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN minden megmérető fizikai mennyiségez tartozik egy operátor ennek sajátfüggvényei azok a ullámfüggvények, aol az adott mennyiségnek atározott értéke van általában egy részecskét jellemző ullámfüggvény nem sajátfüggvénye egyetlen fizikai mennyiség operátornak sem a ullámfüggvény mindig előállítató bármely fizikai mennyiség sajátfüggvényeinek lineáris kombinációjaként az alapvető fizikai mennyiségek sajátfüggvényei teljes rendszert alkotnak, vagyis lineáris kombinációjukkal a legkülönlegesebb függvény is előállítató (teljes rendszert alkotnak pl. a Fourier-transzformáció alapfüggvényei), s az előállítás egyértelmű OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN fizikai mennyiség: A, operátora  az A mennyiség várató értéke (kb. átlagértéke) tetszőleges ullámfüggvény esetén: 3 A * ( r, t) A( r, t)d r teljes normált sajátfüggvényei 1 (x,y,z), (x,y,z),... (végtelen sok), az egyes sajátfüggvényekez tartozó sajátértékek a 1, a... ˆ a n n n A ˆ előállítató a sajátfüggvények lineáris kombinációjaként: n n n1

OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN n n normált: n1 n n1 * 1 az A mennyiség várató értéke: A n1 n * a n n n annak a valószínűsége, ogy az A mennyiség egy mérése éppen a n -t ad eredményül: p * a n n n OPERÁTOROK A KVANTUMMECHANIKÁBAN A fizikai mennyiségek leetséges értekei: Folytonos: egy intervallumból bármilyen érték leet a da a Diszkrét: csak különálló, egyedi értékek leetnek n n n1 Diszkrét értékek: a két különböző sajátfüggvényez azonos sajátérték tartozik, akkor a sajátértéket elfajultnak (degeneráltnak) mondjuk