Задача № 45

Частица массой находится в одномерной потенциальной яме с непроницаемыми стенками во втором возбуждённом состоянии. Найдите среднее значение кинетической энергии частицы , если ширина ямы равна .

Решение:

Вид потенциальной ямы представлен на рисунке 1:

Рисунок 1

Составим уравнение Шредингера для области :

(1)

или в виде:

(2)

где . Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

(3)

Используем естественные условия, накладываемые на пси-функцию. Так как в области потенциальная энергия равняется бесконечности, то частица находиться в области не может. Следовательно, плотность вероятности, а, значит, и пси-функция в области равны нулю. Из условия непрерывности пси-функции для точки получим:

Аналогично, из условия непрерывности пси-функции для точки получим:

Тогда пси-функции собственных состояний частицы в данной потенциальной яме имеют вид:

(4)

Учитывая, что , получим:

(5)

Мы получили энергетический спектр частицы в потенциальной яме. Определим постоянную в выражении для пси-функции (4), используя условие нормировки:

(6)

Тогда пси-функции собственных состояний имеют следующий вид:

(7)

Во втором возбуждённом состоянии (так как - это основное состояние, - первое возбуждённое), поэтому пси-функция второго возбуждённого состояния имеет вид:

(8)

Из постулатов квантовой механики среднее значение какой-нибудь физической величины в состоянии, описываемом пси-функцией , определяется следующим образом:

(9)

где - оператор физической величины , а - функция, сопряжённая к пси-функции . Операторы проекций импульса на координатные оси x,y,z имеют вид:

(10)

Формулы, связывающие физические величины в классической физике, в квантовой физике справедливы для операторов этих физических величин. Поэтому мы можем записать:

(11)

Операторы квадрата импульса и кинетической энергии связаны выражением:

(12)

В нашем одномерном случае оператор кинетической энергии имеет вид:

(13)

Тогда среднее значение кинетической энергии во втором возбуждённом состоянии определяется выражением:

(14)

Ответ:

.