Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции1.pdf
Скачиваний:
240
Добавлен:
30.05.2015
Размер:
7 Мб
Скачать
☆

ЛЕКЦИЯ 6

ПОВЕДЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА В НЕКОТОРЫХ УСЛОВИЯХ

Итак, в вероятностной интерпретации поведения электрона мы должны определить какие-то аспекты его состояния. При этом квадрат его волновой функции, пропорциональный единичной (условие нормировки) вероятности существования его в определенной области пространства, должен содействовать возникновению информации об энергетических и реально-пространственных характеристиках этой микрочастицы. При этом электрон обладает чертами неопределенного (вероятностного) поведения (то ли в координатной, то ли в импульсной системе пространств). Эти обстоятельства заставляют понимать электрон как частицу, с бешеными скоростями перемещающуюся в некоторых ограниченных областях атомов, при этом не растрачивающую свою энергию в некотором «стационарном» состоянии. Рассмотрим доступные пониманию особенности поведения электрона.

ЭЛЕКТРОН В ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЯМЕ.

Разберем конкретную задачу о поведении (одномерном движении) электрона в потенциальной яме шириной "а" с бесконечно высокими стенками. Электрон движется вдоль оси "х" в обоих направлениях (вперед и назад), но не может по условию задачи находиться вне ямы, где U = ∞ ; Поэтому его волновая функция Ψ(x ) = 0 при x ≤ 0 и x ≥ a. Найдем выражение для функцииΨ(x ) и энер-

гии электрона внутри между точками 0 и "а".

Уравнение Шредингера для этой области, если принять в ней U(x ) = 0 имеет вид:

 

h2

 

d 2Ψ

 

 

−

 

 

(x )

= EΨ

( 34 )

2m

dx2

 

 

(x )

 

69

с

граничными условиямиΨ(0) = Ψ(a) = 0 . Введем

обозначения:

 

 

 

d 2

Ψ

 

 

 

k 2

= 2mE / h2 . Получаем :

 

(x )

+ k 2

Ψ

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

dx2

(x )

 

 

Решение

такого

 

дифференциального

уравнения:

Ψ(x ) = Asin kx + B cos kx ( 35 ).

В формуле (35) коэффициенты А и В не равны нулю одновременно - в противном случае получается нулевое (тривиальное ) решение.

Учтем граничные условия:

а) Ψ(0) = Asin k 0 + B cos k 0 = B = 0

б) Ψ(a ) = Asin k a = 0.

Коэффициент В оказался равен нулю. Если нас интересует нетривиальные решения, нужно положить A ≠ 0. Тогда sin k a = 0 ; откуда: ka = nπ ,

где n - целое число.

k 2 =

2mE

= n2π 2

; E

n

=

π 2h2

n2

( 36 ).

h2

2ma 2

 

a2

 

 

 

 

Из формулы (36) видно, что энергия электрона может принимать только определенные значения, т.е. квантоваться. Эти значения −собственные значения уравнения (34) образуют систему энергетических уровней, нумеруемых квантовым числом "n" (смотри схему, приведенную ниже). Квантование энергии не было заложено в условие задачи, а появилось в процессе ее решения вследствие учета граничных условий, которые, в свою очередь, вытекают из физических ограничений, налагаемых на движение.

Теперь можно записать выражение для собственных функций

уравнения (34) : Ψ

 

 

 

 

x .

 

(x)= Asin

2mEn

 

n

 

h

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляем сюда (36) и получаем: Ψn (x)= Asin

πnx .

 

 

 

 

 

 

a

Эта функция удовлетворяет всем стандартным условиям.

В силу условия нормировки: ∫a

 

Ψn (x)2

 

dx = A2 ∫a sin2 πnx

= A2 a

= 1,

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

a

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда A =

2

;

Ψ(x ) =

2 sin

πnx .

 

 

 

 

a

 

 

a

 

 

a

 

 

 

70

На схеме приведены три первые волновые функции и соответствующие им плотности вероятности для электрона, движущегося в прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Как видно, локализация электрона в окрестностях некоторой точки в яме может существенно изменяться при переходе от одного состояния к другому.

Этот вывод имеет весьма общий характер. Например, рас-

пределение электронной плотности в основном и возбужденных состояниях молекул различно.

Теперь перейдем к рассмотрению двумерной бесконечно глубокой потенциальной ямы.

Здесь электрон движется в плоскости прямоугольника со сторонами "а" и "в". Как и в классической задаче, движение можно разложить на два независимых движения: одно - в направлении x, другое - в направлении y. Тогда энергия электрона будет определяться двумя квантовыми числами nx и ny . Волновая функция примет вид

произведения, где каждый сомножитель зависит только от одной независимой переменной:

Ψnx ,ny (x, y)= Ψnx (x) Ψny (y)

71

Увеличение симметрии системы приводит к вырождению по энергиям некоторых состояний. Связь симметрии системы и структурой вырождения является одной из глубоких далеко ведущих идей

квантовой механики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим два состояния системы:

 

nx = 1 ,

ny = 2

и nx = 2 ,

ny = 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если a ≠ b , то

каждому

состоянию

отвечает

свое

значение

энергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Состояние

 

 

 

 

 

2

Энергия

 

 

nx = 1 , ny = 2

 

 

π

2

h

1

2

 

2

2

 

 

 

E12

=

 

 

2

+

2

 

 

 

2m

 

 

b

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

nx = 2 , ny = 1.

 

 

π

2

h

2

2

2

 

1

2

 

 

 

E21

=

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

2m

 

 

b

 

 

 

 

 

 

q

 

 

 

 

 

 

Как видно: E12 ≠ E21 , следовательно вырождение отсутствует (смотри схему выше). Если a = b , то в обоих состояниях энергия системы одинакова:

E

 

= E

 

= 5

π 2h2

( 37 )

1,2

2,1

2ma 2

 

 

 

 

или в общем случае

Enxny = 2πma2h22 (nx2 + n2y )

Вырождение - ( nx2 + n2y ) = const при соответствующих "n".

ЭЛЕКТРОННОЕ ВЕРЕТЕНО. СПИН

Для учета теории относительности при движении электрона, необходимо пользоваться уравнением Дирака вместо уравнения Шредингера. При этом получается, что у электрона существует собственный момент импульса, и собственный магнитный момент. Собственный момент электрона ( S ) называется также спиновым (от латинского глагола - прясть, крутиться). Спин – это, как следствие вероятностной квантовой механики, внутренняя степень свободы электрона, имеющая сугубо квантовый характер. При переходе к классической механике спин обращается в нуль, и в этом смысле он не имеет классического аналога. Понятие о спине строго следует из релятивистской квантовой теории. Но это понятие вводится и в нерелятивистскую теорию, как величина, необходимая для правильного описания ряда опытов. Такую теорию называют феноменологической или полуэмпирической, и такое понимание спина характерно для всех аспектов квантовой химии.

72