Электрон в потенциальной яме

Рассмотрим, в качестве примера использования уравнения Шредингера, задачу о движении частицы вдоль оси х-ов в пределах 0 ‹ х ‹ l. Это означает, что ψ = 0, а U→ ∞ – при х ≤ 0 и при х ≥ l. Внутри заданного интервала, при 0 ‹ х ‹ l – ψ ≠ 0, а U = const. Выберем нулевой уровень потенциальной энергии так, чтобы он совпадал с осью х-ов. Тогда внутри интервала U = 0, а Е (полная энергии) в уравнении Шредингера (13) – это только кинетическая энергия частицы. Теперь (13) примет вид:

. (14)

Обозначим: (15)

С учетом (15), (14) перепишется:

Δψ + ω²ψ = 0. (16)

Это однородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами. Его решение имеет вид (см. Лк. №3):

Ψ(х) = А sin (ωх + α₀ ). (17)

Используя граничные условия, найдем для х = 0: Ψ(0)=Аsinα₀ = 0, выполняется при α₀ = 0. С учетом этого факта для х = l: Ψ(l) =А sinωl = 0. Это возможно, если ωl = ± πn, где n =1,2,3…Следовательно, и из соотношения (15), для Е, получим:

. (18)

Т.о., микрочастица в потенциальной яме может иметь только определенные значения энергии, т.е. энергия квантуется.

Оценим расстояние между соседними уровнями:

. (19)

При m ~ 10^-31 кг, n =1 и l ~ 10^-10 м – ∆Е ~ 4,5 эВ, что хорошо согласуется с данными по водороду. Если l ~ 10^-1 м, когда электрон можно считать свободным, то ∆Е ~ 10^-16 эВ, т.е. энергетические уровни практически сольются.

Определим амплитуду А волновой функции. Воспользуемся для этого условием нормировки:

.

Проинтегрировав, получим . Подставив в (17) ω = πn / l и выражение для амплитуды А, получим окончательный вид волновых функций:

, (n = 1, 2, 3…) (20)

(21)

На рис.5а схематически показаны энергетические уровни Е₁, Е₂, Е₃ и Е4, соответствующие разным квантовым состояниям электрона в потенциальной яме. На рис.5б приведены графики зависимости ïψ ç² от х для n = 1, 2, 3 и 4. Как видно из графиков, вероятность нахождения электрона в разных местах потенциальной ямы, по представлениям квантовой механики, не одинакова. Есть такие точки, в которых вероятность нахождения электрона равна нулю, что противоречит представлениям классической механики.

АТОМ ВОДОРОДА

Квантовомеханическое описание состояний атомов и молекул с помощью уравнения Шредингера является достаточно сложной задачей. Наиболее просто она решается для водородоподобных атомов, электронная оболочка которых содержит только один электрон: водород, однократно ионизированный гелий, двукратно ионизированный литий и т. д.

Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Т.к. масса протона многократно больше массы электрона, то можно считать, что электрон находится в электрическом потенциальном поле ядра и его потенциальная энергия

(22)

Графически U = f(r) имеет вид потенци-альной ямы с гиперболическими стенка-ми и без дна. Уравнение Шредингера (13) примет вид:

(23)

Решение этого уравнения выходит за рамки наших возможностей. По этой причине ограничимся описанием результатов этого решения.

Отметим, прежде всего, что т.к. это пространственная задача, торешение можно представить в виде трех функций, каждая из которых зависит только от одной переменной – х, y или z. Каждая из них представляет собой дискретный набор решений вида (20), за который отвечает определенный набор целых чисел, которые называются квантовыми. Здесь проявляется главная особенность квантово-механических систем – дискретность физических величин, определяющих их состояние.Во-вторых, функции, удовлетворяющие требованиям однозначности, конечности и непрерывности, и, являющиеся решениями уравнения (23), существуют только в том случае, если собственные значения энергии электрона в атоме равны:

, (24)

где n – главное квантовое число (n = 1, 2, 3, 4…), которое определяет уровни полной энергии электрона.

Из решения уравнения Шредингера вытекает также, что орбитальный момент импульса электрона тоже квантуется.

Орбитальное (азимутальное) квантовое число l (или m_l) определяет дискретные значения орбитального момента импульса электрона относительно ядра.

. (25)

При заданном n, l принимает значения: 0, 1, 2, … n-1.

Магнитное квантовое число – m_l определяет значения проекций момента импульса L_e на любое выбранное направление Z.

L_e,z=m_lħ . (26)

При заданном l, m_l принимает значения: 0, ±1, ±2, ±3…±l. В соответствии с этим может иметь только такие ориентации в пространстве, для которых выполняется (26), т.е. L_e может иметь 2l+1 ориентацию в атоме.

Таким образом каждому E_n (кроме Е₁) будет соответствовать несколько волновых функций ψ_n,l,m с разными l и m_l. Это означает – атом водорода может иметь одно и то же значение энергии, находясь в нескольких различных состояниях – всего их n².

В 1822 г. было обнаружено, что электрон обладает собственным неуничтожимым механическим моментом импульса, который не связан с орбитальным движением. Этот собственный момент назвали спином. Спин электрона и всех других микрочастиц квантуется.

Спиновое квантовое число s (или m_s)собственный моментом импульса электрона:

. (27)

По аналогии с орбитальным моментом проекция спина квантуется так, что может принимать 2s+1 положение в атоме. Впоследствии выяснили, что в атоме может иметь только два положения, т.е. 2s+1 = 2, тогда s, определяющее возможные значения проекции спина на направление Z будет – s = + ½ , а величина проекции

L_s,z= ħs (28)

Т.о. всего оказалось четыре квантовых числа, что увеличивает число состояний электрона с одним и тем же значением E_n до 2n².

Сравнение показывает, что квантовая механика приводит к тем же результатам и выводам, что и теория Бора. Но в теории Бора эти результаты просто постулировались. В квантовой механике они получены логическим путем из уравнения Шредингера .

Согласно квантовой механике, каждому энергетическому состоянию соответствуют волновые функции, квадрат модуля которых определяет вероятность нахождения электрона в объеме ∆V, а произведение е|ψ|² среднее значение плотности заряда в этом элементе объема. Т. к. вероятность обнаружения электрона в различных частях атома разная, то и электронная плотность распределяется вокруг ядра атома неравномерно, т. е. электрон как бы размазывается по всему объему атома, образуя электронное облако. Причем, размер и форма электронного облака определяется квантовыми числами n и l, а его ориентацию в пространстве характеризует квантовое число – m_l. На рис. 6 представлена фотомодель электронного облака. Из рисунка видно, насколько условно понятие «орбита» применительно к движению электрона в атоме.