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  • 一個(gè)質(zhì)量為m的粒子被限制在r = a和r = b的兩個(gè)不可穿透的

    一個(gè)質(zhì)量為m的粒子被限制在r = a和r = b的兩個(gè)不可穿透的
    同心球面之間運(yùn)動(dòng).不存在其它勢(shì),求粒子的基態(tài)能量和歸一化波函數(shù).
    數(shù)學(xué)人氣:708 ℃時(shí)間:2020-05-13 06:44:51
    優(yōu)質(zhì)解答
    (h代表約化Planck const.)
    先看一維無窮勢(shì)井,假定粒子限定在x=a,x=b處(b>a);
    那么歸一化波函數(shù):ψn=√[2/(b-a)]*sin[nπx/(b-a)];
    能級(jí):En=n^2*π^2*h^2/[2m(b-a)^2]
    然后看你這個(gè)問題:先寫出Hamiltonion:
    H=[-h^2/2m*▽^2+V(r)],
    在:r∈(a,b)的區(qū)域,勢(shì)能為0,
    并注意算符▽^2,在球坐標(biāo)下:
    ▽^2=1/r^2*[∂/∂r*(r^2*∂/∂r)]+1/(r^2*sinθ)*[∂/∂θ*(sinθ*∂/∂θ)]+1/(r*sinθ)^2*(∂^2/∂φ^2)
    =1/r^2*[∂/∂r*(r^2*∂/∂r)-L^2/h^2]
    那么r∈(a,b)區(qū)域的定態(tài)Schrodinger Eq就要寫成:
    -h^2/(2mr^2)*[∂/∂r*(r^2*∂/∂r)-L^2/h^2]ψ=Eψ.(1)
    顯然這樣看的話,L^2,Lz都與H對(duì)易,所以可以選一組力學(xué)量的完全集(H,L^2,Lz)的共同本征函數(shù)作為完備正交歸一的本征函數(shù)族,這樣的話,算符L^2作用上去就有:L^2ψ=l(l+1)h^2ψ,所以第一個(gè)式子改寫一下就是:
    -h^2/(2mr^2)*[∂/∂r*(r^2*∂/∂r)-l(l+1)/h^2]ψ=Eψ.(2)
    由于要求基態(tài),所以軌道角動(dòng)量要為0,即l=0,所以(2)就要寫成:
    -h^2/(2mr^2)*[∂/∂r*(r^2*∂/∂r]ψ=Eψ.(3)
    解(3)式并不費(fèi)勁,先分離變量令ψ=R(r)*Y(θ,φ);則(3)式改寫為:
    -h^2/(2mr^2)*[∂/∂r*(r^2*∂/∂r]R=E*R.(4)
    解(4)只需再做一步換元,令u=rR,代入(4)就得:
    u''+2mE/h^2*u=0
    上式與一維無窮勢(shì)井中的Schrodinger Eq一樣,所以直接把最開始給你的波函數(shù)和能級(jí)拿來用就ok了~即波函數(shù)為:
    (基態(tài)n=1,l=0,m=0)u=√[2/(b-a)]*sin[πr/(b-a)]*Y_00
    注意u=rR,而且Y_00是常數(shù),所以波函數(shù)應(yīng)為:
    ψ=√[2/(b-a)]/r*sin[πr/(b-a)]
    基態(tài)能量為:E=π^2*h^2/[2m(b-a)^2]
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