模型、能量零点与解的分类
研究质量
m m m 的非相对论无自旋粒子,势能
V ( x ) V(x) V ( x ) 不显含时间。定态方程为
− ℏ 2 2 m d 2 ϕ d x 2 + V ( x ) ϕ = E ϕ . -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\mathrm d^2\phi}{\mathrm dx^2}
+V(x)\phi=E\phi. − 2 m ℏ 2 d x 2 d 2 ϕ + V ( x ) ϕ = Eϕ .
x x x 单位米,
V , E V,E V , E 单位焦耳,
ℏ \hbar ℏ 单位
J s \mathrm{J\,s} J s 。能量零点可整体平移:同时把
V → V + C V\to V+C V → V + C 、
E → E + C E\to E+C E → E + C 不改变波函数;比较
E − V E-V E − V 才决定局部形态。
一维归一化束缚波函数单位为
m − 1 / 2 \mathrm{m^{-1/2}} m − 1/2 。动能算符
− ℏ 2 d 2 / ( 2 m d x 2 ) -\hbar^2\mathrm d^2/(2m\,\mathrm dx^2) − ℏ 2 d 2 / ( 2 m d x 2 )
把波函数映射为焦耳乘波函数,与势能乘法算符单位一致。下文概率流
j = ( ℏ / m ) Im ( ϕ ∗ ϕ ′ ) j=(\hbar/m)\operatorname{Im}(\phi^*\phi') j = ( ℏ/ m ) Im ( ϕ ∗ ϕ ′ )
的单位为
s − 1 \mathrm{s^{-1}} s − 1 ,因此反射率和透射率必须比较带方向的流,而非只比较无单位振幅。
在常势区
V ( x ) = V 0 V(x)=V_0 V ( x ) = V 0 :
若
E > V 0 E>V_0 E > V 0 ,定义
k = 2 m ( E − V 0 ) / ℏ k=\sqrt{2m(E-V_0)}/\hbar k = 2 m ( E − V 0 ) /ℏ ,单位
m − 1 \mathrm{m^{-1}} m − 1 ,解为
A e i k x + B e − i k x Ae^{ikx}+Be^{-ikx} A e ik x + B e − ik x 。
若
E < V 0 E<V_0 E < V 0 ,定义
κ = 2 m ( V 0 − E ) / ℏ \kappa=\sqrt{2m(V_0-E)}/\hbar κ = 2 m ( V 0 − E ) /ℏ ,单位
m − 1 \mathrm{m^{-1}} m − 1 ,解为
C e κ x + D e − κ x Ce^{\kappa x}+De^{-\kappa x} C e κ x + D e − κ x 。
若
E = V 0 E=V_0 E = V 0 ,方程给
ϕ ′ ′ = 0 \phi''=0 ϕ ′′ = 0 ,解为线性函数,不能把
k = 0 k=0 k = 0 直接塞入只保留一项的平面波表达而丢失第二个独立解。
束缚态在无穷远可归一化,能量通常离散;散射态在无穷远含行进波,采用入射流归一化或
δ \delta δ 归一化,能量连续。局部出现指数尾并不自动等于束缚态,还要检查全空间边界和能量相对两侧渐近势。
有限势跳变的匹配条件
在
x = x 0 x=x_0 x = x 0 处若势只有有限跳跃、质量恒定且没有
δ \delta δ 奇异项,把方程从
x 0 − ε x_0-\varepsilon x 0 − ε 积到
x 0 + ε x_0+\varepsilon x 0 + ε :
− ℏ 2 2 m [ ϕ ′ ( x 0 + ) − ϕ ′ ( x 0 − ) ] + ∫ x 0 − ε x 0 + ε ( V − E ) ϕ d x = 0. -\frac{\hbar^2}{2m}
\left[\phi'(x_0^+)-\phi'(x_0^-)\right]
+\int_{x_0-\varepsilon}^{x_0+\varepsilon}
(V-E)\phi\,\mathrm dx=0. − 2 m ℏ 2 [ ϕ ′ ( x 0 + ) − ϕ ′ ( x 0 − ) ] + ∫ x 0 − ε x 0 + ε ( V − E ) ϕ d x = 0.
当
ε → 0 \varepsilon\to0 ε → 0 时积分项消失,所以
ϕ ′ \phi' ϕ ′ 连续。为避免波函数本身跳变导致分布型二阶导数,
ϕ \phi ϕ 也连续:
ϕ ( x 0 − ) = ϕ ( x 0 + ) , ϕ ′ ( x 0 − ) = ϕ ′ ( x 0 + ) . \phi(x_0^-)=\phi(x_0^+),
\qquad
\phi'(x_0^-)=\phi'(x_0^+). ϕ ( x 0 − ) = ϕ ( x 0 + ) , ϕ ′ ( x 0 − ) = ϕ ′ ( x 0 + ) .
若有效质量分段变化,正确条件取决于 Hamilton 算符的具体自伴形式,不能机械沿用
ϕ ′ \phi' ϕ ′ 连续。无限壁直接规定波函数在壁上为零;
δ \delta δ 势则允许导数有限跳跃。
概率流
j = ℏ m Im ( ϕ ∗ ϕ ′ ) j=\frac{\hbar}{m}
\operatorname{Im}(\phi^*\phi') j = m ℏ Im ( ϕ ∗ ϕ ′ )
在实势、定态散射中跨界面连续。匹配振幅后再检查流,是发现漏掉速度因子的最可靠方法。
无限深方势阱
令
V ( x ) = { 0 , 0 < x < L , ∞ , x ≤ 0 或 x ≥ L . V(x)=
\begin{cases}
0,&0<x<L,\\
\infty,&x\le0\text{ 或 }x\ge L.
\end{cases} V ( x ) = { 0 , ∞ , 0 < x < L , x ≤ 0 或 x ≥ L .
硬壁边界
ϕ ( 0 ) = ϕ ( L ) = 0 \phi(0)=\phi(L)=0 ϕ ( 0 ) = ϕ ( L ) = 0 。阱内一般解
A sin k x + B cos k x A\sin kx+B\cos kx A sin k x + B cos k x ;左端条件给
B = 0 B=0 B = 0 ,右端要求
sin k L = 0 \sin kL=0 sin k L = 0 ,所以
k n = n π L , E n = n 2 π 2 ℏ 2 2 m L 2 , n = 1 , 2 , … k_n=\frac{n\pi}{L},
\qquad
E_n=\frac{n^2\pi^2\hbar^2}{2mL^2},
\qquad n=1,2,\ldots k n = L nπ , E n = 2 m L 2 n 2 π 2 ℏ 2 , n = 1 , 2 , …
归一化本征态
ϕ n ( x ) = 2 L sin n π x L . \phi_n(x)=\sqrt{\frac2L}
\sin\frac{n\pi x}{L}. ϕ n ( x ) = L 2 sin L nπ x .
没有
n = 0 n=0 n = 0 非零态;把
n = 0 n=0 n = 0 代入只得到处处为零的函数,不能归一化。能量按
1 / ( m L 2 ) 1/(mL^2) 1/ ( m L 2 ) 缩放,盒越窄或粒子越轻,量子间隔越大。每个实定态的
j = 0 j=0 j = 0 ,可理解为等振幅左右行波形成的驻波。
例 1:一纳米盒中的电子能级
电子质量
m e = 9.11 × 10 − 31 k g m_e=9.11\times10^{-31}\,\mathrm{kg} m e = 9.11 × 1 0 − 31 kg ,
L = 1.00 n m L=1.00\,\mathrm{nm} L = 1.00 nm 。基态能量
E 1 = π 2 ℏ 2 2 m e L 2 = 6.02 × 10 − 20 J = 0.376 e V . E_1
=\frac{\pi^2\hbar^2}{2m_eL^2}
=6.02\times10^{-20}\,\mathrm J
=0.376\,\mathrm{eV}. E 1 = 2 m e L 2 π 2 ℏ 2 = 6.02 × 1 0 − 20 J = 0.376 eV . E 2 = 4 E 1 = 1.50 e V E_2=4E_1=1.50\,\mathrm{eV} E 2 = 4 E 1 = 1.50 eV ,跃迁能差
E 2 − E 1 = 1.13 e V E_2-E_1=1.13\,\mathrm{eV} E 2 − E 1 = 1.13 eV 。基态在左半盒的概率因对称性为
1 / 2 1/2 1/2 ;不能把粒子解释为在盒中心静止,位置测量仍有连续分布。
势阶散射与流归一化
令
V = 0 V=0 V = 0 于
x < 0 x<0 x < 0 ,
V = V 0 > 0 V=V_0>0 V = V 0 > 0 于
x > 0 x>0 x > 0 。粒子从左入射且
E > V 0 E>V_0 E > V 0 :
ϕ I = e i k 1 x + r e − i k 1 x , ϕ I I = t e i k 2 x , \phi_I=e^{ik_1x}+r e^{-ik_1x},
\qquad
\phi_{II}=t e^{ik_2x}, ϕ I = e i k 1 x + r e − i k 1 x , ϕ II = t e i k 2 x ,
k 1 = 2 m E ℏ , k 2 = 2 m ( E − V 0 ) ℏ . k_1=\frac{\sqrt{2mE}}{\hbar},
\qquad
k_2=\frac{\sqrt{2m(E-V_0)}}{\hbar}. k 1 = ℏ 2 m E , k 2 = ℏ 2 m ( E − V 0 ) .
在
x = 0 x=0 x = 0 匹配
ϕ , ϕ ′ \phi,\phi' ϕ , ϕ ′ :
r = k 1 − k 2 k 1 + k 2 , t = 2 k 1 k 1 + k 2 . r=\frac{k_1-k_2}{k_1+k_2},
\qquad
t=\frac{2k_1}{k_1+k_2}. r = k 1 + k 2 k 1 − k 2 , t = k 1 + k 2 2 k 1 .
入射、反射和透射概率流分别与
k 1 k_1 k 1 、
− ∣ r ∣ 2 k 1 -|r|^2k_1 − ∣ r ∣ 2 k 1 、
∣ t ∣ 2 k 2 |t|^2k_2 ∣ t ∣ 2 k 2 成正比,所以
R = ∣ r ∣ 2 , T = k 2 k 1 ∣ t ∣ 2 , R + T = 1. R=|r|^2,
\qquad
T=\frac{k_2}{k_1}|t|^2,
\qquad
R+T=1. R = ∣ r ∣ 2 , T = k 1 k 2 ∣ t ∣ 2 , R + T = 1.
透射率不等于
∣ t ∣ 2 |t|^2 ∣ t ∣ 2 ,除非两侧群速度相同。若
E < V 0 E<V_0 E < V 0 ,右侧物理解
t e − κ x t e^{-\kappa x} t e − κ x 不携带远处净流,半无限势阶有
R = 1 R=1 R = 1 ,但波函数仍穿入禁阻区约
1 / κ 1/\kappa 1/ κ 深度。
例 2:高于势阶仍会量子反射
电子能量
E = 4.00 e V E=4.00\,\mathrm{eV} E = 4.00 eV ,势阶
V 0 = 1.00 e V V_0=1.00\,\mathrm{eV} V 0 = 1.00 eV 。波数比
k 2 k 1 = E − V 0 E = 3 4 = 0.866. \frac{k_2}{k_1}
=\sqrt{\frac{E-V_0}{E}}
=\sqrt{\frac34}=0.866. k 1 k 2 = E E − V 0 = 4 3 = 0.866. 所以
R = ( 1 − 0.866 1 + 0.866 ) 2 = 0.00515 , T = 0.99485. R=\left(\frac{1-0.866}{1+0.866}\right)^2
=0.00515,
\qquad
T=0.99485. R = ( 1 + 0.866 1 − 0.866 ) 2 = 0.00515 , T = 0.99485. 经典粒子在
E > V 0 E>V_0 E > V 0 时全部通过;量子波因波数突变产生约
0.515 % 0.515\% 0.515% 反射。E / V 0 E/V_0 E / V 0 增大时该反射趋零。
矩形势垒与隧穿
令
V = V 0 V=V_0 V = V 0 于
0 < x < a 0<x<a 0 < x < a ,外部
V = 0 V=0 V = 0 ,且
0 < E < V 0 0<E<V_0 0 < E < V 0 。三段解分别包含入射与反射波、垒内双指数、右侧透射波。对
x = 0 , a x=0,a x = 0 , a 各匹配
ϕ , ϕ ′ \phi,\phi' ϕ , ϕ ′ ,可得
T = [ 1 + V 0 2 sinh 2 ( κ a ) 4 E ( V 0 − E ) ] − 1 , T
=\left[
1+\frac{V_0^2\sinh^2(\kappa a)}
{4E(V_0-E)}
\right]^{-1}, T = [ 1 + 4 E ( V 0 − E ) V 0 2 sinh 2 ( κa ) ] − 1 ,
其中
κ = 2 m ( V 0 − E ) ℏ . \kappa=\frac{\sqrt{2m(V_0-E)}}{\hbar}. κ = ℏ 2 m ( V 0 − E ) .
当
κ a ≫ 1 \kappa a\gg1 κa ≫ 1 ,
T ≈ 16 E ( V 0 − E ) V 0 2 e − 2 κ a . T\approx
\frac{16E(V_0-E)}{V_0^2}
e^{-2\kappa a}. T ≈ V 0 2 16 E ( V 0 − E ) e − 2 κa .
指数
2 κ a 2\kappa a 2 κa 无量纲。透射对质量、势垒高度差和宽度极敏感;前因子仍可能重要,不能把
e − 2 κ a e^{-2\kappa a} e − 2 κa 在所有参数下当精确答案。实势且左右渐近势相同给
R + T = 1 R+T=1 R + T = 1 。
例 3:电子穿过亚纳米矩形势垒
电子
E = 1.00 e V E=1.00\,\mathrm{eV} E = 1.00 eV ,
V 0 = 3.00 e V V_0=3.00\,\mathrm{eV} V 0 = 3.00 eV ,
a = 0.500 n m a=0.500\,\mathrm{nm} a = 0.500 nm 。势垒内能量差
2.00 e V 2.00\,\mathrm{eV} 2.00 eV ,计算得
κ = 2 m e ( 2.00 e V ) ℏ = 7.24 n m − 1 , κ a = 3.62. \kappa
=\frac{\sqrt{2m_e(2.00\,\mathrm{eV})}}{\hbar}
=7.24\,\mathrm{nm^{-1}},
\qquad
\kappa a=3.62. κ = ℏ 2 m e ( 2.00 eV ) = 7.24 n m − 1 , κa = 3.62. 代入精确式,
T = [ 1 + 9 8 sinh 2 ( 3.62 ) ] − 1 ≈ 2.55 × 10 − 3 . T
=\left[1+\frac9{8}\sinh^2(3.62)\right]^{-1}
\approx2.55\times10^{-3}. T = [ 1 + 8 9 sinh 2 ( 3.62 ) ] − 1 ≈ 2.55 × 1 0 − 3 . 约
0.255 % 0.255\% 0.255% 入射流透射。若宽度增加
0.100 n m 0.100\,\mathrm{nm} 0.100 nm ,厚垒近似给透射率再乘
e − 2 κ ( 0.100 n m ) = e − 1.448 = 0.235 e^{-2\kappa(0.100\,\mathrm{nm})}
=e^{-1.448}=0.235 e − 2 κ ( 0.100 nm ) = e − 1.448 = 0.235 ,显示指数敏感性。
有限深对称势阱
取
V = 0 V=0 V = 0 于
∣ x ∣ < a |x|<a ∣ x ∣ < a ,
V = V 0 V=V_0 V = V 0 于
∣ x ∣ ≥ a |x|\ge a ∣ x ∣ ≥ a ,束缚能满足
0 < E < V 0 0<E<V_0 0 < E < V 0 。势关于原点对称,本征态可选偶或奇。阱内波数与外部衰减常数为
k = 2 m E ℏ , κ = 2 m ( V 0 − E ) ℏ , k 2 + κ 2 = 2 m V 0 ℏ 2 . k=\frac{\sqrt{2mE}}{\hbar},
\qquad
\kappa=\frac{\sqrt{2m(V_0-E)}}{\hbar},
\qquad
k^2+\kappa^2=\frac{2mV_0}{\hbar^2}. k = ℏ 2 m E , κ = ℏ 2 m ( V 0 − E ) , k 2 + κ 2 = ℏ 2 2 m V 0 .
在
x = a x=a x = a 匹配得到
k tan ( k a ) = κ (偶态) , k\tan(ka)=\kappa
\quad\text{(偶态)}, k tan ( ka ) = κ (偶态) ,
− k cot ( k a ) = κ (奇态) . -k\cot(ka)=\kappa
\quad\text{(奇态)}. − k cot ( ka ) = κ (奇态) .
这是超越方程,允许根的数量有限。解可用无量纲变量
z = k a z=ka z = ka 、
z 0 = a 2 m V 0 / ℏ z_0=a\sqrt{2mV_0}/\hbar z 0 = a 2 m V 0 /ℏ 作图找交点。阱越深或越宽,
z 0 z_0 z 0 越大,束缚态越多。有限壁外波函数指数衰减但不为零,所以能量低于势顶并不表示粒子绝不出现在经典禁阻区。
偶基态无节点,随后奇偶交替;一维普通束缚态在温和条件下不简并。数值求根后仍需构造分段波函数、匹配振幅并对全空间归一化,只找到
E E E 不是完整解。
无量纲根与束缚态数量
定义
z = k a , z 0 = a 2 m V 0 ℏ , y = κ a = z 0 2 − z 2 . z=ka,
\qquad
z_0=\frac{a\sqrt{2mV_0}}{\hbar},
\qquad
y=\kappa a=\sqrt{z_0^2-z^2}. z = ka , z 0 = ℏ a 2 m V 0 , y = κa = z 0 2 − z 2 .
偶、奇条件分别变成
z tan z = z 0 2 − z 2 , − z cot z = z 0 2 − z 2 , z\tan z=\sqrt{z_0^2-z^2},
\qquad
-z\cot z=\sqrt{z_0^2-z^2}, z tan z = z 0 2 − z 2 , − z cot z = z 0 2 − z 2 ,
且
0 < z < z 0 0<z<z_0 0 < z < z 0 。作图时应在
tan z \tan z tan z 或
cot z \cot z cot z 的每个连续分支内找根,不能跨越极点使用普通线性插值。每个根给
E = ℏ 2 z 2 / ( 2 m a 2 ) E=\hbar^2z^2/(2ma^2) E = ℏ 2 z 2 / ( 2 m a 2 ) 。
一维有限吸引势阱在常见条件下至少有一个偶束缚态;较浅阱可能没有奇态。随着
z 0 z_0 z 0 增大,新根在接近势顶处出现。根的粗略数量随
2 z 0 / π 2z_0/\pi 2 z 0 / π 增长,但精确个数应由分支交点判断,不能把粗略取整当定理。
一维束缚态的节点与非简并
对同一实势,设两个平方可积本征函数
ϕ a , ϕ b \phi_a,\phi_b ϕ a , ϕ b 有相同能量。由两条定态方程相减可得 Wronskian
W = ϕ a ϕ b ′ − ϕ a ′ ϕ b W=\phi_a\phi_b'-\phi_a'\phi_b W = ϕ a ϕ b ′ − ϕ a ′ ϕ b
满足
W ′ = 0 W'=0 W ′ = 0 。束缚态在无穷远衰减,使
W = 0 W=0 W = 0 ;于是两解线性相关。因此普通一维束缚能级不简并。若加入自旋、多个通道或奇异边界,自由度已经超出这个单通道结论。
按能量从低到高排列,基态可取处处同号且无内部节点,第
n n n 个束缚态有
n − 1 n-1 n − 1 个内部节点。节点越多,曲率和动能代价通常越大。这提供强有力的数值诊断:若求得“基态”有节点,可能收敛到了激发态或边界离散存在伪解。
本征态正交:
∫ ϕ m ∗ ( x ) ϕ n ( x ) d x = 0 , E m ≠ E n . \int\phi_m^*(x)\phi_n(x)\,\mathrm dx=0,
\qquad E_m\ne E_n. ∫ ϕ m ∗ ( x ) ϕ n ( x ) d x = 0 , E m = E n .
任意归一化束缚初态可展开为这些离散态并可能加上连续谱部分;只保留有限个束缚态时,应报告遗漏连续谱的范数。
吸引 δ 势:导数跳变
取
V ( x ) = − g δ ( x ) , g > 0 , V(x)=-g\delta(x),
\qquad g>0, V ( x ) = − g δ ( x ) , g > 0 ,
g g g 的单位为
J m \mathrm{J\,m} J m 。波函数连续,把方程跨过原点积分得到
ϕ ′ ( 0 + ) − ϕ ′ ( 0 − ) = − 2 m g ℏ 2 ϕ ( 0 ) . \phi'(0^+)-\phi'(0^-)
=-\frac{2mg}{\hbar^2}\phi(0). ϕ ′ ( 0 + ) − ϕ ′ ( 0 − ) = − ℏ 2 2 m g ϕ ( 0 ) .
束缚态为
ϕ ( x ) = κ e − κ ∣ x ∣ , κ = m g ℏ 2 , \phi(x)=\sqrt{\kappa}\,e^{-\kappa|x|},
\qquad
\kappa=\frac{mg}{\hbar^2}, ϕ ( x ) = κ e − κ ∣ x ∣ , κ = ℏ 2 m g ,
能量
E = − ℏ 2 κ 2 2 m = − m g 2 2 ℏ 2 . E=-\frac{\hbar^2\kappa^2}{2m}
=-\frac{mg^2}{2\hbar^2}. E = − 2 m ℏ 2 κ 2 = − 2 ℏ 2 m g 2 .
它只有一个偶束缚态。若误用有限势的
ϕ ′ \phi' ϕ ′ 连续条件,会把
g g g 的全部作用消掉。
例 4:由局域长度求 δ 势束缚能
某电子吸引
δ \delta δ 势的衰减常数为
κ = 2.00 n m − 1 \kappa=2.00\,\mathrm{nm^{-1}} κ = 2.00 n m − 1 ,局域长度
1 / κ = 0.500 n m 1/\kappa=0.500\,\mathrm{nm} 1/ κ = 0.500 nm 。束缚能
E = − ℏ 2 κ 2 2 m e = − 2.44 × 10 − 20 J = − 0.152 e V . E=-\frac{\hbar^2\kappa^2}{2m_e}
=-2.44\times10^{-20}\,\mathrm J
=-0.152\,\mathrm{eV}. E = − 2 m e ℏ 2 κ 2 = − 2.44 × 1 0 − 20 J = − 0.152 eV . 归一化因子
κ \sqrt\kappa κ 的单位为
m − 1 / 2 \mathrm{m^{-1/2}} m − 1/2 。左右指数尾对称,定态概率流为零。
WKB 近似与经典极限
对缓慢变化势,定义局部经典动量
p ( x ) = 2 m [ E − V ( x ) ] . p(x)=\sqrt{2m[E-V(x)]}. p ( x ) = 2 m [ E − V ( x )] .
允许区
E > V E>V E > V 中 WKB 波函数近似为
ϕ ( x ) ≈ C ± p ( x ) exp [ ± i ℏ ∫ x p ( x ′ ) d x ′ ] . \phi(x)\approx
\frac{C_\pm}{\sqrt{p(x)}}
\exp\!\left[
\pm\frac{i}{\hbar}\int^x p(x')\,\mathrm dx'
\right]. ϕ ( x ) ≈ p ( x ) C ± exp [ ± ℏ i ∫ x p ( x ′ ) d x ′ ] .
禁阻区定义
κ ( x ) = 2 m [ V ( x ) − E ] / ℏ \kappa(x)=\sqrt{2m[V(x)-E]}/\hbar κ ( x ) = 2 m [ V ( x ) − E ] /ℏ ,穿过两个转向点
x 1 , x 2 x_1,x_2 x 1 , x 2 的厚垒主导透射为
T ∼ exp [ − 2 ∫ x 1 x 2 κ ( x ) d x ] . T\sim
\exp\!\left[
-2\int_{x_1}^{x_2}\kappa(x)\,\mathrm dx
\right]. T ∼ exp [ − 2 ∫ x 1 x 2 κ ( x ) d x ] .
近似要求势在一个局部波长上变化很小,典型作用量远大于
ℏ \hbar ℏ 。在
E = V ( x ) E=V(x) E = V ( x ) 的转向点,
p → 0 p\to0 p → 0 ,振幅形式发散,必须使用连接公式;矩形势垒边缘突然跳变,也不能用“缓慢变化”推导本身解释前因子。
经典极限可从两方面看到:若禁阻区作用量
∫ ∣ p ∣ d x ≫ ℏ \int|p|\,\mathrm dx\gg\hbar ∫ ∣ p ∣ d x ≫ ℏ ,隧穿指数极小;若
E ≫ V 0 E\gg V_0 E ≫ V 0 ,势阶反射率约随
( V 0 / 4 E ) 2 (V_0/4E)^2 ( V 0 /4 E ) 2 下降。但共振、节点和相位相消可在作用量较大时仍留下波动结构,粗粒化和退相干也是宏观经典行为的重要条件。
共振与散射相位
有限势垒或双势垒不仅给透射概率,还改变透射相位。对
E > V 0 E>V_0 E > V 0 的矩形区域,内部为振荡波;当内部相位接近整数个
π \pi π 时,多次反射可相长,使
T T T 达到一,即使每个单界面都有反射。这称为共振透射。
例 5:高于矩形势垒的共振透射
电子能量
E = 5.00 e V E=5.00\,\mathrm{eV} E = 5.00 eV ,矩形势垒高度
V 0 = 1.00 e V V_0=1.00\,\mathrm{eV} V 0 = 1.00 eV 。垒内动能
E − V 0 = 4.00 e V E-V_0=4.00\,\mathrm{eV} E − V 0 = 4.00 eV ,波数约
k 2 = 5.12 4.00 n m − 1 = 10.2 n m − 1 . k_2=5.12\sqrt{4.00}\,\mathrm{nm^{-1}}
=10.2\,\mathrm{nm^{-1}}. k 2 = 5.12 4.00 n m − 1 = 10.2 n m − 1 . 选择宽度
a = π k 2 = 0.307 n m , a=\frac{\pi}{k_2}=0.307\,\mathrm{nm}, a = k 2 π = 0.307 nm , 垒内相位
k 2 a = π k_2a=\pi k 2 a = π 。理想等质量、实势、单通道模型给
T = 1 T=1 T = 1 :两个界面的反射振幅相消。稍微改变
a a a 或
E E E 就会离开共振。完全透射不表示势垒不存在,透射波仍获得相位延迟。
只画
T ( E ) T(E) T ( E ) 会遗漏时间延迟等相位信息。散射矩阵对实势、无吸收的单通道问题应保持流幺正;若数值结果
R + T ≠ 1 R+T\ne1 R + T = 1 ,应检查网格、匹配矩阵、速度因子和边界吸收。复吸收势可故意让和小于一,但必须把缺少部分解释为吸收而非概率消失。
流归一化散射矩阵
左右渐近区域波数可能不同。若直接用波函数振幅作为通道系数,散射矩阵不呈普通欧氏幺正。定义流归一化振幅
A ~ = ℏ k m A , \tilde A=\sqrt{\frac{\hbar k}{m}}A, A ~ = m ℏ k A ,
则
∣ A ~ ∣ 2 |\tilde A|^2 ∣ A ~ ∣ 2 与概率流大小成正比。把左右入射振幅组成向量
a i n \boldsymbol a_{\rm in} a in ,左右出射组成
a o u t \boldsymbol a_{\rm out} a out ,有
a o u t = S a i n , S † S = I \boldsymbol a_{\rm out}
=S\boldsymbol a_{\rm in},
\qquad
S^\dagger S=I a out = S a in , S † S = I
,前提是势为实、无吸收且所有开放通道都包含。这个表达把
R + T = 1 R+T=1 R + T = 1 推广到多入射方向。
分段常势数值计算常用传递矩阵逐层相乘,但厚禁阻层包含
e + κ a e^{+\kappa a} e + κa 与
e − κ a e^{-\kappa a} e − κa ,直接乘法可能上溢并造成巨大相消误差。稳定实现可使用散射矩阵递推或对数缩放,并始终以流守恒作诊断。数值稳定措施不能替代界面条件,也不能把真实共振平滑掉。
束缚态、散射态与共振态不能混用归一化
束缚态在两侧无穷远指数衰减,可令
∫ ∣ ϕ ∣ 2 d x = 1 \int|\phi|^2\,\mathrm dx=1 ∫ ∣ ϕ ∣ 2 d x = 1 ,能量为自伴 Hamilton 的实离散本征值。散射定态在至少一侧保持振荡,整条实线范数发散;它用单位入射振幅、单位入射流或
δ ( E − E ′ ) \delta(E-E') δ ( E − E ′ ) 归一化。对散射态询问“粒子在整个左半轴的概率”没有有限答案,应构造归一化波包或比较单位时间的流。
共振表现为
T ( E ) T(E) T ( E ) 的窄峰和快速相位变化。严格的出射边界共振态常对应复能量
E r e s − i Γ 2 , E_{\rm res}-i\frac{\Gamma}{2}, E res − i 2 Γ ,
其中
Γ \Gamma Γ 单位焦耳,寿命量级
τ = ℏ / Γ \tau=\hbar/\Gamma τ = ℏ/Γ 。它不是封闭自伴问题中的普通可归一化本征态。把计算区间截成有限盒会把连续谱离散化,某个盒本征值靠近透射峰并不能单独证明共振;应检查扩大盒子后峰位、宽度和散射相位是否稳定。
实际入射粒子是有限波包,包含一段能量宽度。若宽度远小于共振宽度,可用中心能量的
T T T ;若更宽,透射概率应对能谱加权。时间延迟、波包变形和先行小尾不会允许超光速传递信息;本章非相对论方程本身也不适合讨论相对论因果极限。
常见误区与边界
常见误区
“波函数进入势垒表示粒子在势垒中有负动能。”定态方程在禁阻区给指数解;能量测量仍是总能量
E E E 。经典分解
E − V < 0 E-V<0 E − V < 0 只说明没有实局部波数。
常见误区
“透射率就是透射振幅平方。”不同区域群速度不同时,
T T T 必须使用概率流比,包含
k 2 / k 1 k_2/k_1 k 2 / k 1 。
常见误区
“任何界面都要求导数连续。”有限普通势且质量恒定时成立;
δ \delta δ 势使导数跳变,无限壁直接改变定义域,变质量 Hamilton 还需相容的流连续条件。
高于势垒仍可能反射
势阶例题中
E > V 0 E>V_0 E > V 0 ,经典粒子全部通过,但量子波因两侧波数不匹配而有
R > 0 R>0 R > 0 。只有高能极限或特殊共振条件下反射才趋零。
数据探索:隧穿的指数灵敏度
固定电子
E = 1.00 e V E=1.00\,\mathrm{eV} E = 1.00 eV 、
V 0 = 3.00 e V V_0=3.00\,\mathrm{eV} V 0 = 3.00 eV ,计算
a = 0.20 , 0.30 , 0.40 , 0.50 , 0.60 n m a=0.20,0.30,0.40,0.50,0.60\,\mathrm{nm} a = 0.20 , 0.30 , 0.40 , 0.50 , 0.60 nm 的精确
T T T 。再画
ln T \ln T ln T 对
a a a ,厚垒区斜率应接近
− 2 κ = − 14.5 n m − 1 -2\kappa=-14.5\,\mathrm{nm^{-1}} − 2 κ = − 14.5 n m − 1 。横轴若改用米,斜率单位应改为
m − 1 \mathrm{m^{-1}} m − 1 。
同时比较精确式和指数近似的相对误差。小
a a a 时
κ a \kappa a κa 不大,前因子和双界面干涉不可忽略;不能只因半对数图近似直线就宣称所有宽度都满足 WKB。每个点还应核对
0 ≤ T ≤ 1 0\le T\le1 0 ≤ T ≤ 1 与
R + T = 1 R+T=1 R + T = 1 。
练习
练习 标记完成
所属知识 无限深势阱
难度 2/5 无限深势阱中
E 1 = 0.200 e V E_1=0.200\,\mathrm{eV} E 1 = 0.200 eV 。求
E 3 E_3 E 3 和从基态到第三态的能量差。
查看提示 E n = n 2 π 2 ℏ 2 / ( 2 m L 2 ) E_n=n^{2}\pi^{2}\hbar^{2}/(2mL^{2}) E n = n 2 π 2 ℏ 2 / ( 2 m L 2 ) ,第三能级与基态之比为 9。
查看解答 E 3 = 9 E 1 = 1.80 e V E_3=9E_1=1.80\,\mathrm{eV} E 3 = 9 E 1 = 1.80 eV ,
E 3 − E 1 = 1.60 e V E_3-E_1=1.60\,\mathrm{eV} E 3 − E 1 = 1.60 eV 。
练习 标记完成
所属知识 势阶流匹配
难度 3/5 某势阶散射有
k 2 / k 1 = 0.500 k_2/k_1=0.500 k 2 / k 1 = 0.500 。求
R , T R,T R , T 。
查看提示 令
q = k 2 / k 1 q=k_{2}/k_{1} q = k 2 / k 1 ,
R = [ ( 1 − q ) / ( 1 + q ) ] 2 R=[(1-q)/(1+q)]^{2} R = [( 1 − q ) / ( 1 + q ) ] 2 ,
T = 4 q / ( 1 + q ) 2 T=4q/(1+q)^{2} T = 4 q / ( 1 + q ) 2 。
查看解答 R = ( 0.5 / 1.5 ) 2 = 1 / 9 = 0.111 R=(0.5/1.5)^2=1/9=0.111 R = ( 0.5/1.5 ) 2 = 1/9 = 0.111 ;
T = 4 ( 0.500 ) / ( 1.500 ) 2 = 8 / 9 = 0.889 T=4(0.500)/(1.500)^2=8/9=0.889 T = 4 ( 0.500 ) / ( 1.500 ) 2 = 8/9 = 0.889 ,
R + T = 1 R+T=1 R + T = 1 。
练习 标记完成
所属知识 禁阻区衰减
难度 2/5 禁阻区
κ = 4.00 n m − 1 \kappa=4.00\,\mathrm{nm^{-1}} κ = 4.00 n m − 1 。波函数从界面深入
d = 0.500 n m d=0.500\,\mathrm{nm} d = 0.500 nm 后,概率密度相对界面值的因子是多少?
查看提示 概率密度随
∣ ψ ∣ 2 |\psi |^{2} ∣ ψ ∣ 2 衰减,因此长度 d 带来
e − 2 κ d e^{-2\kappa d} e − 2 κ d 因子。
查看解答 ∣ ϕ ( d ) ∣ 2 / ∣ ϕ ( 0 ) ∣ 2 = e − 2 κ d = e − 4 = 0.0183 |\phi(d)|^2/|\phi(0)|^2
=e^{-2\kappa d}
=e^{-4}=0.0183 ∣ ϕ ( d ) ∣ 2 /∣ ϕ ( 0 ) ∣ 2 = e − 2 κ d = e − 4 = 0.0183 。
练习 标记完成
所属知识 矩形势垒
难度 3/5 κ = 5.00 n m − 1 \kappa=5.00\,\mathrm{nm^{-1}} κ = 5.00 n m − 1 时,势垒宽度增加
0.200 n m 0.200\,\mathrm{nm} 0.200 nm ,估计厚垒透射率变化因子。
查看提示 厚垒近似下宽度增加
Δ a \Delta a Δ a 使 T 比值约为
e − 2 κ Δ a e^{-2\kappa \Delta a} e − 2 κ Δ a 。
查看解答 T n e w / T o l d ≈ e − 2 ( 5.00 ) ( 0.200 ) = e − 2 = 0.135 T_{\rm new}/T_{\rm old}
\approx e^{-2(5.00)(0.200)}
=e^{-2}=0.135 T new / T old ≈ e − 2 ( 5.00 ) ( 0.200 ) = e − 2 = 0.135 。
练习 标记完成
所属知识 有限势阱奇偶条件
难度 4/5 说明为什么有限对称势阱不能只解
k tan ( k a ) = κ k\tan(ka)=\kappa k tan ( ka ) = κ 就得到全部束缚态。
查看提示 偶态用
k tan ( k a ) = κ k\tan(ka)=\kappa k tan ( ka ) = κ ;奇态用
− k cot ( k a ) = κ -k\cot(ka)=\kappa − k cot ( ka ) = κ ,并同时满足
k 2 + κ 2 = 2 m V 0 / ℏ 2 k^2+\kappa^2=2mV_0/\hbar^2 k 2 + κ 2 = 2 m V 0 / ℏ 2 。
查看解答 k tan ( k a ) = κ k\tan(ka)=\kappa k tan ( ka ) = κ 只来自偶宇称阱内解
cos k x \cos kx cos k x 。奇宇称解
sin k x \sin kx sin k x 在边界给
− k cot ( k a ) = κ -k\cot(ka)=\kappa − k cot ( ka ) = κ 。两类根交替出现;遗漏奇方程会漏掉全部奇束缚态。
练习 标记完成
所属知识 δ 势匹配
难度 4/5 把
ϕ = A e − κ ∣ x ∣ \phi=Ae^{-\kappa|x|} ϕ = A e − κ ∣ x ∣ 代入吸引
− g δ ( x ) -g\delta(x) − g δ ( x ) 的导数跳变条件,求
κ \kappa κ 。
查看提示 对
A e − κ ∣ x ∣ Ae^{-\kappa |x|} A e − κ ∣ x ∣ ,两侧导数分别为
− κ A -\kappa A − κ A 与
+ κ A +\kappa A + κ A 。
查看解答 ϕ ′ ( 0 + ) = − κ A \phi'(0^+)=-\kappa A ϕ ′ ( 0 + ) = − κ A ,
ϕ ′ ( 0 − ) = + κ A \phi'(0^-)=+\kappa A ϕ ′ ( 0 − ) = + κ A ,差为
− 2 κ A -2\kappa A − 2 κ A 。令其等于
− ( 2 m g / ℏ 2 ) A -(2mg/\hbar^2)A − ( 2 m g / ℏ 2 ) A ,得到
κ = m g / ℏ 2 \kappa=mg/\hbar^2 κ = m g / ℏ 2 。
关系、资源与后续学习
课程 · 2013 Quantum Physics I Allan Adams, Matthew Evans, Barton Zwiebach
用于核对 P07 的态与概率解释、时间演化、概率流、一维束缚态和散射计算,并明确理想势模型的适用边界。
打开官方来源
MIT OpenCourseWare 8.04《Quantum Physics I》覆盖一维势阱、势阶、隧穿、散射与谐振,可用于复习本章边界条件并比较不同一维势的解法。
下一步可学习 角动量、自旋与全同粒子 ,把一维边界直觉推广到旋转对称和内部自由度。随后进入
量子力学综合复习
,在同一问题中联合使用状态、测量、时间演化、散射流和经典极限。
课程 · 2013 Quantum Physics II Barton Zwiebach
用于核对 P07 的算符表象、投影测量、角动量代数、自旋系统、复合系统与全同粒子例题。
打开官方来源
MIT OpenCourseWare 8.05《Quantum Physics II》支撑本章从一维分段势的具体解过渡到谱与算符方法:束缚态属于离散谱,散射态需要连续归一,完备展开和 Green 函数方法则可统一处理更一般的势。该来源在本章具体支持边界条件与谱类型的对应,也限定“能量本征函数可归一”必须区分平方可积归一和 Dirac δ 归一。