Banginė funkcija, jos fizinė reikšmė ir savybės. Banginės funkcijos fizinė reikšmė

Eksperimentinis patvirtinimas Louis de Broglie idėjos apie bangų ir dalelių dvilypumo universalumą, ribotą taikymą klasikinė mechanikaį mikroobjektus, padiktuotas neapibrėžtumo santykio, taip pat daugybės eksperimentų prieštaravimai su XX amžiaus pradžioje naudotomis teorijomis atvedė į naują raidos etapą. kvantinė fizika– kvantinės mechanikos kūrimas, aprašantis mikrodalelių judėjimo ir sąveikos dėsnius, atsižvelgiant į jų bangų savybės. Jo kūrimas ir plėtra apima laikotarpį nuo 1900 m. (Plancko formuluotė kvantinė hipotezė) iki XX a. 20-ųjų ir pirmiausia siejamas su austrų fiziko E. Schrödingerio, vokiečių fiziko W. Heisenbergo ir anglų fiziko P. Dirako darbais.

Būtinas tikimybinis požiūris į mikrodalelių apibūdinimą išskirtinis bruožas kvantinė teorija. Ar de Broglie bangas galima interpretuoti kaip tikimybines bangas, t.y. Tarkime, kad tikimybė aptikti mikrodalelę skirtinguose erdvės taškuose skiriasi priklausomai nuo bangos dėsnis? Toks de Broglie bangų aiškinimas nebėra teisingas jau vien dėl to, kad tada tikimybė aptikti dalelę kai kuriuose erdvės taškuose gali būti neigiama, o tai neturi prasmės.

Norėdami pašalinti šiuos sunkumus, vokiečių fizikas M. Bornas pasiūlė 1926 m Pagal bangų dėsnį kinta ne pati tikimybė,ir dydis,pavadintas tikimybės amplitudė ir žymimas . Šis kiekis taip pat vadinamas bangos funkcija (arba -funkcija). Tikimybių amplitudė gali būti sudėtinga, o tikimybė W yra proporcingas jo modulio kvadratui:

(4.3.1)

kur , kur yra Ψ kompleksinė konjuguota funkcija.

Taigi mikroobjekto būsenos aprašymas naudojant bangų funkciją turi statistiniai, tikimybinis požymis: bangos funkcijos modulio kvadratas (de Broglie bangos amplitudės modulio kvadratas) nustato tikimybę rasti dalelę akimirksniu regione su koordinatėmis x ir d x, y ir d y, z ir d z.

Taigi kvantinėje mechanikoje dalelės būsena aprašoma iš esmės nauju būdu – naudojant bangų funkciją, kuri yra pagrindinis informacijos apie jų korpuskulines ir bangines savybes nešėjas.

. (4.3.2)

Didumas (funkcijos Ψ kvadratinis modulis) yra prasminga tikimybės tankis , t.y. nustato tikimybę rasti dalelę tūrio vienetui netoli taško,turintys koordinatesx, y, z. Taigi fizinę reikšmę turi ne pati funkcija Ψ, o jos modulio kvadratas de Broglie bangos intensyvumas .

Tikimybė rasti dalelę akimirksniu t galutiniame tome V, pagal tikimybių sudėjimo teoremą, yra lygus:

.

Nes apibrėžiamas kaip tikimybė, tada banginę funkciją Ψ reikia pavaizduoti taip, kad tikimybė patikimas įvykis pavertė vienu, jei dėl apimties V priimti begalinį visos erdvės tūrį. Tai reiškia, kad kada duota sąlyga dalelė turi būti kažkur erdvėje. Todėl tikimybių normalizavimo sąlyga yra:

(4.3.3)

kur šis integralas apskaičiuojamas visumoje begalinė erdvė, t.y. pagal koordinates x, y, z nuo iki . Taigi normalizavimo sąlyga kalba apie objektyvų dalelės egzistavimą laike ir erdvėje.

Kad bangos funkcija būtų objektyvi mikrodalelės būsenos charakteristika, ji turi atitikti daugybę ribojančių sąlygų. Funkcija Ψ, apibūdinanti tikimybę aptikti mikrodalelę tūrio elemente, turėtų būti:

· baigtinė (tikimybė negali būti didesnė už vieną);

· nedviprasmiška (tikimybė negali būti dviprasmiška reikšmė);

· nuolatinis (tikimybė negali staigiai keistis).

Bangos funkcija atitinka superpozicijos principą: jei sistema gali būti įvairios valstybės, apibūdinamas bangų funkcijomis , , …, tada jis gali būti būsenoje, aprašytoje šių funkcijų tiesiniu deriniu:

kur ( n= 1, 2, 3...) yra savavališki, paprastai tariant, kompleksiniai skaičiai.

Banginių funkcijų papildymas(tikimybių amplitudės, nustatytos banginių funkcijų modulių kvadratu) iš esmės skiria kvantinę teoriją nuo klasikinės statistinės teorijos, kuriame skirta nepriklausomi renginiai galioja tikimybių sudėjimo teorema.

Bangos funkcijaΨ yra pagrindinė mikroobjektų būklės charakteristika. Pavyzdžiui, vidutinis elektrono atstumas nuo branduolio apskaičiuojamas pagal formulę

,

Remiantis idėja, kad elektronas turi bangines savybes. Schrödingeris 1925 m. pasiūlė, kad elektrono, judančio atome, būseną reikėtų apibūdinti fizikoje žinoma pastovia lygtimi. elektromagnetinė banga. Pakeitęs šią lygtį vietoj bangos ilgio jos vertę iš de Broglie lygties, jis gavo naują lygtį, susiejančią elektrono energiją su erdvinėmis koordinatėmis ir vadinamąja bangine funkcija, šioje lygtyje atitinkančią trimatės amplitudės amplitudę. bangų procesas.

Ypač svarbu apibūdinti elektrono būseną turi banginę funkciją. Kaip ir bet kurio bangos proceso amplitudė, ji gali būti tiek teigiama, tiek neigiamos reikšmės. Tačiau vertė visada yra teigiama. Tuo pačiu metu ji turi nepaprastas turtas: kaip daugiau vertės tam tikroje erdvės srityje, tuo didesnė tikimybė, kad elektronas čia parodys savo veikimą, tai yra, kad jo egzistavimas bus aptiktas kokiame nors fiziniame procese.

Būtų tiksliau kitas pareiškimas: tikimybę rasti elektroną tam tikrame mažame tūryje išreiškia sandauga . Taigi pati reikšmė išreiškia elektrono radimo atitinkamoje erdvės srityje tikimybės tankį.

Ryžiai. 5. Vandenilio atomo elektronų debesis.

Norėdami suprasti kvadratinės bangos funkcijos fizinę prasmę, apsvarstykite Fig. 5, kuriame pavaizduotas tam tikras tūris šalia vandenilio atomo branduolio. Taškų tankis pav. 5 yra proporcinga reikšmei atitinkamoje vietoje: nei didesnę vertę, tuo taškai tankesni. Jei elektronas turėjo materialaus taško savybes, tada pav. 5 būtų galima gauti pakartotinai stebint vandenilio atomą ir kiekvieną kartą pažymint elektrono vietą: paveikslo taškų tankis būtų didesnis, kuo dažniau elektronas aptinkamas atitinkamoje erdvės srityje, arba, kitaip tariant, , tuo daugiau labiau tikėtina aptikti jį šioje srityje.

Tačiau mes žinome, kad elektrono idėja kaip materialus taškas neatitinka tikrosios fizinė prigimtis. Todėl pav. Tikslingiau 5 laikyti elektrono, „ištepto“ per visą atomo tūrį vadinamojo elektronų debesies pavidalu, schematišką vaizdą: kuo tankesni taškai yra vienoje ar kitoje vietoje, tuo didesnis elektronų debesies tankis. Kitaip tariant, elektronų debesies tankis yra proporcingas bangos funkcijos kvadratui.

Elektrono kaip debesies būsenos idėja elektros krūvis pasirodo labai patogus, gerai perteikia pagrindinius elektrono elgesio atomuose ir molekulėse ypatumus ir bus dažnai naudojamas tolesniame pristatyme. Tačiau tuo pat metu reikia turėti omenyje, kad elektronų debesis neturi apibrėžtų, aiškiai apibrėžtų ribų: net ir ilgas atstumas iš branduolio yra tam tikra, nors ir labai maža, tikimybė rasti elektroną. Todėl elektronų debesimi sutartinai suprasime erdvės sritį šalia atomo branduolio, kurioje sutelkta vyraujanti elektrono krūvio ir masės dalis (pavyzdžiui, ). Daugiau tikslus apibrėžimasšis erdvės plotas pateiktas 75 puslapyje.

BANGOS FUNKCIJA, KVANTINĖ MECHANIKA, funkcija, leidžianti rasti tikimybę, kad kvantinė sistema yra tam tikroje būsenoje s momentu t. Paprastai rašoma: (s) arba (s, t). Bangos funkcija naudojama SCHRÖDINGER lygtyje... Mokslinis ir techninis enciklopedinis žodynas

BANGOS FUNKCIJA Šiuolaikinė enciklopedija

Bangos funkcija- BANGOS FUNKCIJA, kvantinėje mechanikoje pagrindinis kiekis (in bendras atvejis kompleksas), apibūdinantis sistemos būseną ir leidžiantis rasti tikimybes bei vidutines reikšmes, charakterizuojančias šią sistemą. fiziniai kiekiai. Bangos modulio kvadratas...... Iliustruotas enciklopedinis žodynas

BANGOS FUNKCIJA- (būsenos vektorius) kvantinėje mechanikoje yra pagrindinis dydis, apibūdinantis sistemos būseną ir leidžiantis rasti ją apibūdinančių fizikinių dydžių tikimybes ir vidutines reikšmes. Bangos funkcijos modulis kvadratas lygus tikimybei duota...... Didysis enciklopedinis žodynas

BANGOS FUNKCIJA- kvantinėje mechanikoje (tikimybių amplitudė, būsenos vektorius) dydis, visiškai apibūdinantis mikroobjekto (elektrono, protono, atomo, molekulės) ir apskritai bet kurio kvanto būseną. sistemos. Mikroobjekto būsenos aprašymas naudojant V. f. turi...... Fizinė enciklopedija

bangos funkcija- - [L.G. Sumenko. Anglų-rusų informacinių technologijų žodynas. M.: Valstybės įmonė TsNIIS, 2003.] Temos informacinės technologijos apskritai EN bangų funkcija... Techninis vertėjo vadovas

bangos funkcija- (tikimybių amplitudė, būsenos vektorius), kvantinėje mechanikoje pagrindinis dydis, apibūdinantis sistemos būseną ir leidžiantis rasti ją apibūdinančių fizikinių dydžių tikimybes ir vidutines reikšmes. Bangos funkcijos kvadratinis modulis yra ... ... Enciklopedinis žodynas

bangos funkcija- banginė funkcija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. bangos funkcija vok. Wellenfunktion, f rus. bangos funkcija, f; bangos funkcija, f pranc. fonction d’onde, f … Fizikos terminų žodynas

bangos funkcija- banginė funkcija statusas T sritis chemija apibrėžtis Dydis, apibūdinantis mikrodalelių ar jų sistemų fizikinę būseną. atitikmenys: angl. bangos funkcija rus. bangos funkcija... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

BANGOS FUNKCIJA- sudėtinga funkcija, apibūdinanti kvantinės mechanikos būseną. sistema ir leidžia rasti tikimybes ir žr. jai būdingų fizinių savybių reikšmės. kiekiai Kvadratinis modulis V. f. lygus tikimybei šią būseną, todėl V.f. paskambino taip pat amplitudė.... Gamtos mokslas. Enciklopedinis žodynas

Knygos

  • , B. K. Novosadovas. Monografija skirta nuosekliam molekulinių sistemų kvantinės teorijos pristatymui, taip pat bangų lygčių sprendimui nereliatyvistinėje ir reliatyvistinėje molekulių kvantinėje mechanikoje.... Pirkti už 882 UAH (tik Ukraina)
  • Molekulinių sistemų matematinės fizikos metodai, Novosadovas B.K.. Monografija skirta nuosekliam molekulinių sistemų kvantinės teorijos pristatymui, taip pat bangų lygčių sprendimui nereliatyvistinėje ir reliatyvistinėje molekulių kvantinėje mechanikoje.…

Bangos funkcija
Bangos funkcija

Bangos funkcija (arba būsenos vektorius) yra sudėtinga funkcija, apibūdinanti kvantinės mechaninės sistemos būseną. Žinodami tai, galite gauti išsamiausią informaciją apie sistemą, kuri iš esmės pasiekiama mikrokosmose. Taigi su jo pagalba galite apskaičiuoti visus išmatuotus fizines savybes sistema, jos buvimo tam tikroje erdvės vietoje tikimybė ir jos raida laike. Banginę funkciją galima rasti sprendžiant bangos lygtisŠriodingeris.
Taškinės struktūros bestruktūrės dalelės banginė funkcija ψ (x, y, z, t) ≡ ψ (x,t) yra sudėtinga funkcijašios dalelės ir laiko koordinates. Paprasčiausias tokios funkcijos pavyzdys yra banginė funkcija laisvoji dalelė su impulsu ir pilna energija E ( plokštumos banga)

.

Dalelių sistemos A banginėje funkcijoje yra visų dalelių koordinatės: ψ ( 1 , 2 ,..., A ,t).
Bangos funkcijos modulis kvadratu atskira dalelė| ψ (,t)| 2 = ψ *(,t) ψ (,t) parodo dalelės aptikimo tikimybę momentu t taškas erdvėje, aprašytas koordinatėmis, būtent | ψ (,t)| 2 dv ≡ | ψ (x, y, z, t)| 2 dxdydz yra tikimybė rasti dalelę erdvės srityje, kurios tūris dv = dxdydz aplink tašką x, y, z. Panašiai tikimybė, kad laiku t aptiks dalelių, kurių koordinatės 1, 2,..., A, sistemą A daugiamatės erdvės tūriniame elemente, yra pateikiama pagal | ψ ( 1 , 2 ,..., A ,t)| 2 dv 1 dv 2 ...dv A .
Banginė funkcija visiškai lemia visas fizines charakteristikas kvantinė sistema. Taigi vidutinė stebima sistemos fizikinio dydžio F reikšmė pateikiama išraiška

,

kur yra šio dydžio operatorius ir integracija vykdoma visame daugiamatės erdvės regione.
Vietoj dalelių koordinačių x, y, z kaip nepriklausomi banginės funkcijos kintamieji gali būti pasirenkami jų momentai p x , p y , p z ar kitos fizikinių dydžių aibės. Šis pasirinkimas priklauso nuo reprezentacijos (koordinatės, impulso ar kt.).
Dalelės banginė funkcija ψ (,t) neatsižvelgia į jos vidines charakteristikas ir laisvės laipsnius, t.y., apibūdina jos judėjimą kaip vientisą bestruktūrį (taškinį) objektą tam tikra trajektorija (orbita) erdvėje. Šios vidinės dalelės charakteristikos gali būti jos sukimasis, sraigtas, izospinas (stipriai sąveikaujančioms dalelėms), spalva (kvarkams ir gliuonams) ir kai kurios kitos. Vidines dalelės charakteristikas nusako speciali banginė funkcija vidinė būsenaφ. Šiuo atveju dalelės Ψ suminė banginė funkcija gali būti pavaizduota kaip orbitinio judėjimo funkcijos ψ ir vidinė funkcija φ:

kadangi paprastai dalelės vidinės charakteristikos ir jos laisvės laipsnių, aprašant orbitos judėjimas, nepriklauso vienas nuo kito.
Pavyzdžiui, apsiribojame tuo atveju, kai vienintelis vidinė charakteristika, į kurį atsižvelgiama pagal funkciją, yra dalelės sukinys, o šis sukinys yra lygus 1/2. Dalelė su tokiu sukimu gali būti vienoje iš dviejų būsenų - su sukimosi projekcija z ašyje lygi +1/2 (suktis aukštyn), o sukimosi projekcija z ašyje lygi -1/2 (suktis žemyn). Šis dvilypumas apibūdinamas sukimosi funkcija, paimta dviejų komponentų suktuko pavidalu:

Tada banginė funkcija Ψ +1/2 = χ +1/2 ψ apibūdins dalelės, kurios sukinys 1/2 nukreiptas aukštyn, judėjimą pagal funkcijos ψ nustatytą trajektoriją, o bangos funkcija Ψ -1/2 = χ -1/2 ψ apibūdins judėjimą ta pačia tos pačios dalelės trajektorija, bet sukiniui nukreipus žemyn.
Baigdami pažymime, kad kvantinėje mechanikoje galimos būsenos, kurių negalima apibūdinti naudojant bangų funkciją. Tokios būsenos vadinamos mišriomis ir aprašomos taikant sudėtingesnį metodą, naudojant tankio matricos sąvoką. Kvantinės sistemos būsenos, aprašytos bangine funkcija, vadinamos grynosiomis.

· Kvantinis stebimas · Bangos funkcija· Kvantinė superpozicija · Kvantinis susipynimas · Mišri būsena · Matavimas · Neapibrėžtis · Pauli principas · Dualizmas · Dekoherence · Erenfesto teorema · Tunelio efektas

Taip pat žiūrėkite: Portalas: Fizika

Bangos funkcija, arba psi funkcija \psi yra sudėtingos vertės funkcija, naudojama kvantinėje mechanikoje grynai sistemos būsenai apibūdinti. Ar būsenos vektoriaus plėtimosi koeficientas per bazę (dažniausiai koordinatės):

\left|\psi(t)\right\rangle=\int \Psi(x,t)\left|x\right\rangle dx

Kur \left|x\right\rangle = \left|x_1, x_2, \ldots , x_n\right\rangle yra koordinačių bazinis vektorius ir \Psi(x,t)= \langle x\left|\psi(t)\right\rangle- banginė funkcija koordinačių vaizde.

Banginės funkcijos normalizavimas

Bangos funkcija \Psi savo prasme turi tenkinti vadinamąją normalizavimo sąlygą, pavyzdžiui, in koordinatės atstovavimas turintis formą:

(\int\limits_(V)(\Psi^\ast\Psi)dV)=1

Ši sąlyga išreiškia faktą, kad tikimybė rasti dalelę su tam tikra bangine funkcija bet kurioje erdvėje yra lygi vienetui. Bendruoju atveju integracija turi būti vykdoma per visus kintamuosius, nuo kurių priklauso bangos funkcija tam tikrame vaizde.

Kvantinių būsenų superpozicijos principas

Banginėms funkcijoms galioja superpozicijos principas, kuris yra tas, kad jei sistema gali būti bangų funkcijomis aprašytose būsenose \Psi_1 Ir \Psi_2, tada jis taip pat gali būti bangos funkcijos aprašytos būsenos

\Psi_\Sigma = c_1 \Psi_1 + c_2 \Psi_2 bet kokiam kompleksui c_1 Ir c_2.

Akivaizdu, kad galime kalbėti apie bet kokio kvantinių būsenų skaičiaus superpoziciją (pridėjimą), tai yra apie sistemos kvantinės būsenos egzistavimą, kuri apibūdinama bangine funkcija. \Psi_\Sigma = c_1 \Psi_1 + c_2 \Psi_2 + \ldots + (c)_N(\Psi)_N=\sum_(n=1)^(N) (c)_n(\Psi)_n.

Šioje būsenoje koeficiento modulio kvadratas (c)_n nustato tikimybę, kad išmatuojant sistema bus aptikta bangos funkcijos aprašytoje būsenoje (\Psi)_n.

Todėl normalizuotoms bangų funkcijoms \sum_(n=1)^(N)\left|c_(n)\right|^2=1.

Banginės funkcijos reguliarumo sąlygos

Tikimybinė bangos funkcijos reikšmė tam tikri apribojimai, arba sąlygos, dėl bangų funkcijų kvantinės mechanikos uždaviniuose. Šios standartinės sąlygos dažnai vadinamos banginės funkcijos reguliarumo sąlygos.

  1. Banginės funkcijos baigtinumo sąlyga. Bangos funkcija negali priimti begalinių verčių, tokių, kaip integralas (1) taps skirtinga. Vadinasi, ši sąlyga reikalauja, kad bangų funkcija būtų kvadratiškai integruojama funkcija, ty priklausytų Hilberto erdvei. L^2. Visų pirma, esant normalizuotos bangos funkcijos problemoms, bangos funkcijos kvadratinis modulis begalybėje turi būti lygus nuliui.
  2. Banginės funkcijos unikalumo sąlyga. Banginė funkcija turi būti vienareikšmė koordinačių ir laiko funkcija, nes kiekvienoje užduotyje dalelės aptikimo tikimybės tankis turi būti nustatytas vienareikšmiškai. Esant problemoms naudojant cilindrinius arba sferinė sistema koordinates, unikalumo sąlyga lemia banginių funkcijų periodiškumą kampiniuose kintamuosiuose.
  3. Banginės funkcijos tęstinumo sąlyga. Bet kuriuo momentu bangos funkcija turi būti nuolatinė funkcija erdvines koordinates. Be to, banginės funkcijos dalinės išvestinės turi būti tolydžios \frac(\partial \Psi)(\partial x), \frac(\partial \Psi)(\partial y), \frac(\partial \Psi)(\partial z). Šios dalinės funkcijų išvestinės yra tik retais idealizavimo problemų atvejais jėgos laukai gali patirti atotrūkį tuose erdvės taškuose, kur potenciali energija, kuris apibūdina jėgos lauką, kuriame dalelė juda, patiria antrojo tipo nenuoseklumą.

Bangos funkcija įvairiais atvaizdais

Koordinačių, veikiančių kaip funkcijos argumentai, rinkinys atspindi visą stebėjimo duomenų sistemą. Kvantinėje mechanikoje galima pasirinkti keletą pilnų stebimųjų rinkinių, todėl tos pačios būsenos banginė funkcija gali būti užrašoma skirtingais argumentais. Pasirinkta rašyti bangos funkciją pilna komplektacija kiekiai nustato bangos funkcijos vaizdavimas. Taigi kvantinio lauko teorijoje galimas koordinačių vaizdavimas, impulsų atvaizdavimas, naudojamas antrinis kvantavimas ir užimtumo skaičių vaizdavimas arba Focko vaizdavimas ir kt.

Jei bangos funkcija, pavyzdžiui, elektrono atome, yra pateikta koordinačių pavidalu, tada bangos funkcijos kvadratinis modulis parodo elektrono aptikimo tam tikrame erdvės taške tikimybės tankį. Jei ta pati bangos funkcija yra pateikta impulso vaizde, tada jos modulio kvadratas parodo tam tikro impulso aptikimo tikimybės tankį.

Matricos ir vektorinės formuluotės

Tos pačios būsenos bangos funkcija įvairios reprezentacijos- atitiks to paties vektoriaus išraišką skirtingos sistemos koordinates Kitos operacijos su banginėmis funkcijomis taip pat turės analogų vektorių kalba. Bangų mechanikoje naudojamas vaizdas, kai psi funkcijos argumentai yra visa sistema tęstinis važiuojant į darbą ir atgal stebimus duomenis, o matricos atvaizdavimas naudoja reprezentaciją, kai psi funkcijos argumentai yra visa sistema diskretiškas važinėjimo į darbą ir atgal stebėjimai. Todėl funkcinės (banginės) ir matricinės formuluotės akivaizdžiai yra matematiškai lygiavertės.

Filosofinė banginės funkcijos prasmė

Bangos funkcija yra grynos kvantinės mechaninės sistemos būsenos apibūdinimo metodas. Mišrios kvantinės būsenos (kvantinėje statistikoje) turėtų būti aprašytos operatoriumi kaip tankio matrica. Tai yra, tam tikra apibendrinta dviejų argumentų funkcija turi apibūdinti koreliaciją tarp dalelės vietos dviejuose taškuose.

Reikėtų suprasti, kad problema, kuri yra sprendžiama kvantinė mechanika, yra pati problema mokslinis metodas pasaulio pažinimas.

Taip pat žr

Parašykite apžvalgą apie straipsnį "Bangos funkcija"

Literatūra

  • Fizinis enciklopedinis žodynas / Ch. red. A. M. Prokhorovas. Red. skaičiuoti D. M. Aleksejevas, A. M. Bonchas-Bruevičius, A. S. Borovikas-Romanovas ir kiti - M.: Sov. Enciklopedija, 1984. - 944 p.

Nuorodos

  • Kvantinė mechanika- straipsnis iš Didžiosios sovietinės enciklopedijos.


Ar jums patiko straipsnis? Pasidalinkite su draugais!