关于波函数一阶导数连续性的讨论.docxVIP

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关于波函数一阶导数连续性的讨论 对于波函数一阶导数的连续性,一般教材和教育参考没有给出详细而具体的解释。例如,“波函数及其一阶导数是连续的”,“波函数的一阶导数在边界上是连续的”,这是不合适和不严格的。这由一维无限深势阱的情况是不难看出的。阱外波函数为零, 阱内波函数不为零, 它的一阶导数在边界上也不为零。可见, 波函数的一阶导数在无限深势阱边界 (势函数跃变处) 不连续。那么, 其它情况又如何呢?本文具体分析, 讨论势函数有限跃变和无限跃变情形下的几种不同类型的实例, 旨在对波函数一阶导数的连续性问题作进一步说明。 1 波函数不连续区域的边界 如图1, 势函数U(x) 在x=x0处出现一有限的跃变。我们先在区间 (x-Δx,x+Δx) 用图示虚线给出的一个连续势函数U1(x) 代替U(x) , 然后采用极限逼近的方法, 讨论跃变点上波函数一阶导数是否连续。 设与势函数U1(x) 相应的波函数为φ1(x) , 应用定态薛定谔方程, 有 ψ1′′=2mh2[U1(x)?E]ψ1(x)(1)ψ1″=2mh2[U1(x)-E]ψ1(x)(1) 在x0附近从 (x-Δx) 到 (x+Δx) 积分, 得 当Δx→0时,A1、B1点分别趋于A、B点, 回到跃变位置, 相应的势函数U1(x) →U(x) ,ψ1(x) →ψ(x) , 其中ψ(x) 是对应于不连续势函数U(x) 的薛定谔方程的解, 并且有同一本征值E。由于 (2) 式中积分号内的E以及被积函数U(x) 、ψ(x) 均为有限, 因此当Δx→0时, (2) 式右端的积分值为零, 即有 dψdx∣∣∣x0+0=dψdx∣∣∣x0?0(3)dψdx|x0+0=dψdx|x0-0(3) 表明ψ′在x0点处的无穷小区间内的改变量为零。 由上可得结论:波函数的一阶导数在有限跃变点处连续。这一结论在实际问题中是经常应用的, 如有限深势阱、有限高势垒等势函数不连续区域的边界仅为有限跃变的情形。事实上, 在这类问题中, 应用波函数一阶导数的连续性条件所得到的结果已经证实了它的正确性。 2 势函数的无限跃变 2.1 波函数的不可透度 先考虑如图2所示的有限高、半无限宽势垒, 其势函数为 U(x){0(x≤0)U0(x>0)U(x){0(x≤0)U0(x>0) x=0处势函数由0跃变为U0。设图中Ⅰ、Ⅱ两区域的波函数分别为ψ1(x) 和ψ2(x) , 为与我们所考察的目的 (U0→∞时的行为) 相一致, 令U0E, 在这种情形下 ψ1(x) =Aeik1x+Be-ik1x(x≤0) (4) ψ2(x) =Ce-ik2x(x0) (5) 式中A、B和C均是常数,k1、k2与能量有关。 k21=2mE?2?k22=2m?2(U0?E)(6)k12=2mE?2?k22=2m?2(U0-E)(6) 对包含势函数U(x) 跃变点 (x=0) 附近的狭窄函数 (-Δx, +Δx) 积分, 有 将不同区域的波函数用 (4) 、 (5) 式分别代入, 可得 ψ′ (+Δx) -ψ′ (-Δx) =ik1[A(1-e-ik1Δx) -B(1-eik1Δx) ]+k2C(1-e-k2Δx) (7) 显然, 在U0(从而k2) 有限的条件下, 由于E(从而k1) 总有限, 则当Δx→0极限时, 上式右边为零, 即有ψ′ (+0) =ψ′ (-0) , 表明波函数的一阶导数在势函数的跃变点 (势垒壁) 处连续, 这与 (3) 式给出的结论相一致。在U0(从而k2) 为无穷大 (势垒壁无限高) 的情况下, 当Δx→0时, 势函数跃变点处, 波函数的一阶导数便不具有上述性质。从数学上看, 当Δx→0,k2222→∞时, (7) 式右端具有不定值, 其性质决定于Δx和k2222二者的变化行为。为进一步考察, 设k2仍为有限, Δx很小, 略去 (7) 式与k1有关的项 (即前项) , 将k2有关的项作幂级数展开, 并取近似, 有 式中Γ称为不可透度。当Γ=0时, 在跃变点x=0处, 波函数的一阶导数连续。波函数具有“可透性”;当Γ≠0时, ψ′不连续, 粒子不可透入, 类似于一维无限深势阱壁处。 2.2 k3波函数的a+ax型 势场形状如图3, 左边界x=0处波函数的一阶导数不连续 (属于无限高、半无限宽壁垒) 。这里讨论U0为有限和无限时边界x=a处的情况, 仍然设EU0。区域Ⅰ、Ⅱ的波函数ψ1、ψ2分别为 ψ1(x) =Asink1x (0≤xa) (9) ψ2(x) =Be-k2x(x≥a) (10) 式中k1、k2由 (6) 式给出。利用薛定谔方程在x=a附近的邻域 (a-ε, a+ε) 积分, 有 由上式容易看出, 当U0为有限时, k2222也有限, 则在ε→0的极

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