Измерение физических величин в квантовых системах - 10 стр.

UptoLike

*2 2
K
00
222
2
1
32
0 1 0 1 0 1
00
ˆ
F (r){F (r)}4 r dr (r)F(r) (r)4 r dr
e2rer e
A exp dr e d .
rr2 2r
ξ
ξξ
ξ
ΨΨπΨΨπ
ΨΨπΨΨπΨΨπΨΨπ
ΨΨπΨΨπ
ξ
ξξ
ξ
επεπε
επεπεεπεπε
επεπε
∞∞
∞∞∞∞
∞∞
∞∞
∞∞∞∞
∞∞
===
======
===






=−= =
=−= ==−= =
=−= =












∫∫
∫∫∫∫
∫∫
∫∫
∫∫∫∫
∫∫
б) Потенциальная энергия электрона в поле ядра
2
0
e
U(r ) ,
4r
πε
πεπε
πε
=−
=−=−
=−
а оператор потенциальной энергии есть оператор умножения на функцию
U(r)
.
Поэтому
2
*2
1
0
00
e
ˆ
U (r){U (r)}4 r dr (r)U(r) (r)dr I .
4
ΨΨπ Ψ Ψ
ΨΨπ Ψ ΨΨΨπ Ψ Ψ
ΨΨπ Ψ Ψ
πε
πεπε
πε
∞∞
∞∞∞∞
∞∞
===
======
===
∫∫
∫∫∫∫
∫∫
Здесь
2
22
1
1
3
11 1
00
1 2r 4 r 1
IAex
p
4rdr e d .
rr r2 r
ξ
ξξ
ξ
π
ππ
π
πξξ
πξξπξξ
πξξ
π
ππ
π
∞∞
∞∞∞∞
∞∞






=− = =
=− = ==− = =
=− = =












∫∫
∫∫∫∫
∫∫
Таким образом, среднее значение потенциальной энергии электрона в основном
состоянии атома водорода
2
0 1
e
U.
4r
πε
πεπε
πε
=−
=−=−
=−
в) В сферической системе координат для волновой функции (3.5)
22 2
2
K
2
00 011 1
1 dd 21 r
ˆ
ErAexp,
2m 2m r dr dr 2m r r r r
Ψ
ΨΨ
Ψ
Ψ∆Ψ
Ψ∆ΨΨ∆Ψ
Ψ∆Ψ






=− =− =
=− =− = =− =− =
=− =− =












!! !
где
m
0
- масса электрона.
Поэтому, вычисляя среднее значение кинетической энергии электрона по
формуле (1.15), получаем
2
*222
K
0 11
00
222
22
1 2
22
0 11 0 1 0 1
0
1 2r
ˆ
E ( r ){ E ( r )}4 r dr A exp 4 r dr
mr r r
2r
Aexp 4 rdr I I.
2m r r m r 2m r
κ
κκ
κ
ΨΨπ π
ΨΨπ πΨΨπ π
ΨΨπ π
π
ππ
π
∞∞
∞∞∞∞
∞∞



==
====
==









−−=
−−=−−=
−−=






∫∫
∫∫∫∫
∫∫
!
!!!
Первый интеграл
I
1
был вычислен в пункте б), причем
I
1
=
1
/
r
1
. Второй интеграл
I
2
=
1
в силу условия нормировки волновой функции (3.5). Следовательно, среднее
значение кинетической энергии электрона
22 2
22 2
0 1 0 1 0 1
E.
mr 2mr 2mr
κ
κκ
κ
=− =
=− ==− =
=− =
!! !
Для проверки найденных значений
<U>
и
<E
K
>
заметим, что их сумма должна
быть равна полной энергии электрона в основном состоянии атома водорода:
4
0
1
222
0
me
E.
32
πε
πεπε
πε
=−
=−=−
=−
!
Если учесть, что боровский радиус
                         ∞                                   ∞
               F = ∫Ψ ( r ){ Fˆ KΨ ( r )}4π r 2 dr = ∫Ψ ( r )F ( r )Ψ ( r )4π r 2 dr =
                                 *

                         0                                   0
                  2 ∞                                          ∞
                e              2r               2
                                               e  r1  −ξ                 e2
              =      ∫0 A exp  − r1  dr = πε 0 r13  2  ∫0 e dξ = 2πε 0 r12 .
                             2

                ε0
б) Потенциальная энергия электрона в поле ядра
                                                           e2
                                           U( r ) = −             ,
                                                          4πε 0 r
а оператор потенциальной энергии есть оператор умножения на функцию U(r).
Поэтому
                     ∞                                   ∞
                            ˆ                                               e2
              U = ∫Ψ ( r ){ UΨ ( r )}4π r dr = ∫Ψ ( r )U( r )Ψ ( r )dr = −
                             *           2
                                                                                 I1 .
                  0                            0                           4πε 0
Здесь
                         ∞                                                     2 ∞
                          1     2r             4π                    r1                  1
                 I 1 = ∫ A exp  −  4π r 2 dr =
                                     2
                                                                      2       ∫ ξ e dξ =
                                                                                     −ξ
                                                                                                .
                       0  r     r1             π r13                        0            r1
Таким образом, среднее значение потенциальной энергии электрона в основном
состоянии атома водорода
                                                          e2
                                             U =−                .
                                                        4πε 0 r1
в) В сферической системе координат для волновой функции (3.5)
                      !2         ! 2 1 d  2 dΨ                  !2  2 1        r
         Ê KΨ = −       ∆Ψ = −            r                  =       −  Aexp  −  ,
                     2m0        2m0 r 2 dr  dr                2m0 r1  r r1     r1 
где m0 - масса электрона.
Поэтому, вычисляя среднее значение кинетической энергии электрона по
формуле (1.15), получаем
                  ∞                                   ∞
                            ˆ                    !2       2 1      2r 
            E K = ∫Ψ ( r ){ EκΨ ( r )}4π r dr =
                    *                     2
                                                      ∫ A     exp  −  4π r dr −
                                                                            2

                  0
                                                m0 r1 0     r      r1 
                    ∞
              !2                2r                !2           !2
            2m0 r12 ∫0
          −            A 2
                           exp  −    4π r 2
                                              dr =       I 1 −          I .
                                                                      2 2
                                   r
                                1                m  r
                                                     0 1       2m   r
                                                                  0 1

Первый интеграл I1 был вычислен в пункте б), причем I1=1/r1. Второй интеграл
I2=1 в силу условия нормировки волновой функции (3.5). Следовательно, среднее
значение кинетической энергии электрона
                                          !2       !2          !2
                                  Eκ =          −         =           .
                                         m0 r12 2m0 r12 2m0 r12
Для проверки найденных значений  и  заметим, что их сумма должна
быть равна полной энергии электрона в основном состоянии атома водорода:
                                                        m0 e 4
                                           E1 = −                   .
                                                      32π 2ε 02 ! 2
Если учесть, что боровский радиус