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薛定諤方程

 kanglanlan 2019-12-14

薛定諤方程

在量子力學(xué)中,薛定諤方程(Schr?dinger equation)是描述物理系統(tǒng)的量子態(tài)怎樣隨時(shí)間演化的偏微分方程,為量子力學(xué)的基礎(chǔ)方程之一。它是將物質(zhì)波的概念和波動方程相結(jié)合建立的二階偏微分方程,可描述微觀粒子的運(yùn)動,每個(gè)微觀系統(tǒng)都有一個(gè)相應(yīng)的薛定諤方程式,通過解方程可得到波函數(shù)的具體形式以及對應(yīng)的能量,從而了解微觀系統(tǒng)的性質(zhì)。薛定諤方程表明量子力學(xué)中,粒子以概率的方式出現(xiàn),具有不確定性,宏觀尺度下失效可忽略不計(jì)。

中文名薛定諤方程

外文名Schrodinger equation

所屬學(xué)科物理學(xué)

提出者薛定諤

性質(zhì)微分方程

對應(yīng)空間希爾伯特空間

    簡介

    薛定諤方程是量子力學(xué)的基本方程。是1926年奧地利理論物理學(xué)家薛定諤提出的。它描述微觀粒子的狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律。微觀系統(tǒng)的狀態(tài)由波函數(shù)來描寫,薛定諤方程即是波函數(shù)的微分方程。若給定了初始條件和邊界的條件,就可由此方程解出波函數(shù)。

    方程定義

    薛定諤方程(Schrodingerequation)在量子力學(xué)中,體系的狀態(tài)不能用力學(xué)量(例如x)的值來確定,而是要用力學(xué)量的函數(shù)Ψ(x,t),即波函數(shù)(又稱概率幅,態(tài)函數(shù))來確定,因此波函數(shù)成為量子力學(xué)研究的主要對象。力學(xué)量取值的概率分布如何,這個(gè)分布隨時(shí)間如何變化,這些問題都可以通過求解波函數(shù)的薛定諤方程得到解答。這個(gè)方程是奧地利物理學(xué)家薛定諤于1926年提出的,它是量子力學(xué)最基本的方程之一,在量子力學(xué)中的地位與牛頓方程在經(jīng)典力學(xué)中的地位相當(dāng),超弦理論試圖統(tǒng)一兩種理論。

    薛定諤方程是量子力學(xué)最基本的方程,亦是量子力學(xué)的一個(gè)基本假定,其正確性只能靠實(shí)驗(yàn)來確定。

    薛定諤方程 量子力學(xué)中求解粒子問題常歸結(jié)為解薛定諤方程或定態(tài)薛定諤方程。薛定諤方程廣泛地用于原子物理、核物理和固體物理,對于原子、分子、核、固體等一系列問題中求解的結(jié)果都與實(shí)際符合得很好。

    薛定諤方程僅適用于速度不太大的非相對論粒子,其中也沒有包含關(guān)于粒子自旋的描述。當(dāng)涉及相對論效應(yīng)時(shí),薛定諤方程由相對論量子力學(xué)方程所取代,其中自然包含了粒子的自旋。

    .薛定諤提出的量子力學(xué)基本方程 。建立于 1926年。它是一個(gè)非相對論的波動方程。它反映了描述微觀粒子的狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律,它在量子力學(xué)中的地位相當(dāng)于牛頓定律對于經(jīng)典力學(xué)一樣,是量子力學(xué)的基本假設(shè)之一。設(shè)描述微觀粒子狀態(tài)的波函數(shù)為Ψ(r,t),質(zhì)量為m的微觀粒子在勢場V(r,t)中運(yùn)動的薛定諤方程。在給定初始條件和邊界條件以及波函數(shù)所滿足的單值、有限、連續(xù)的條件下,可解出波函數(shù)Ψ(r,t)。由此可計(jì)算粒子的分布概率和任何可能實(shí)驗(yàn)的平均值(期望值)。當(dāng)勢函數(shù)V不依賴于時(shí)間t時(shí),粒子具有確定的能量,粒子的狀態(tài)稱為定態(tài)。定態(tài)時(shí)的波函數(shù)可寫成式中Ψ(r)稱為定態(tài)波函數(shù),滿足定態(tài)薛定諤方程,這一方程在數(shù)學(xué)上稱為本征方程,式中E為本征值,它是定態(tài)能量,Ψ(r)又稱為屬于本征值E的本征函數(shù)。

    薛定諤方程是量子力學(xué)的基本方程,它揭示了微觀物理世界物質(zhì)運(yùn)動的基本規(guī)律,如牛頓定律在經(jīng)典力學(xué)中所起的作用一樣,它是原子物理學(xué)中處理一切非相對論問題的有力工具,在原子、分子、固體物理、核物理、化學(xué)等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

    背景與發(fā)展

    1900年,馬克斯·普朗克在研究黑體輻射中作出將電磁輻射能量量子化的假設(shè),因此發(fā)現(xiàn)將能量與頻率關(guān)聯(lián)在一起的普朗克關(guān)系式。1905年,阿爾伯特·愛因斯坦從對于光電效應(yīng)的研究又給予這關(guān)系式嶄新的詮釋:頻率為ν的光子擁有的能量為hν;其中,因子h是普朗克常數(shù)。這一點(diǎn)子成為后來波粒二象性概念的早期路標(biāo)之一。由于在狹義相對論里,能量與動量的關(guān)聯(lián)方式類似頻率與波數(shù)的關(guān)聯(lián)方式,因此可以揣測,光子的動量與波長成反比,與波數(shù)成正比,以方程來表示這關(guān)系式。

    路易·德布羅意認(rèn)為,不單光子遵守這關(guān)系式,所有粒子都遵守這關(guān)系式。他于1924年進(jìn)一步提出的德布羅意假說表明,每一種微觀粒子都具有波動性與粒子性,這性質(zhì)稱為波粒二象性。電子也不例外的具有這種性質(zhì)。電子是一種物質(zhì)波,稱為“電子波”。電子的能量與動量分別決定了伴隨它的物質(zhì)波所具有的頻率與波數(shù)。在原子里,束縛電子形成駐波;這意味著他的旋轉(zhuǎn)頻率只能呈某些離散數(shù)值。這些量子化軌道對應(yīng)于離散能級。從這些點(diǎn)子,德布羅意復(fù)制出玻爾模型的能級。

    在1925年,瑞士蘇黎世每兩周會舉辦一場物理學(xué)術(shù)研討會。有一次,主辦者彼得·德拜邀請薛定諤講述關(guān)于德布羅意的波粒二象性博士論文。那段時(shí)期,薛定諤正在研究氣體理論,他從閱讀愛因斯坦關(guān)于玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)的論述中,接觸德布羅意的博士論文,在這方面有很精深的理解。在研討會里,他將波粒二象性闡述的淋漓盡致,大家都聽的津津有味。德拜指出,既然粒子具有波動性,應(yīng)該有一種能夠正確描述這種量子性質(zhì)的波動方程。他的意見給予薛定諤極大的啟發(fā)與鼓舞,他開始尋找這波動方程。檢試此方程最簡單與基本的方法就是,用此方程來描述氫原子內(nèi)部束縛電子的物理行為,而必能復(fù)制出玻爾模型的理論結(jié)果,另外,這方程還必須能解釋索末菲模型給出的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

    很快,薛定諤就通過德布羅意論文的相對論性理論,推導(dǎo)出一個(gè)相對論性波動方程,他將這方程應(yīng)用于氫原子,計(jì)算出束縛電子的波函數(shù)。因?yàn)檠Χㄖ@沒有將電子的自旋納入考量,所以從這方程推導(dǎo)出的精細(xì)結(jié)構(gòu)公式不符合索末菲模型。他只好將這方程加以修改,除去相對論性部分,并用剩下的非相對論性方程來計(jì)算氫原子的譜線。解析這微分方程的工作相當(dāng)困難,在其好朋友數(shù)學(xué)家赫爾曼·外爾鼎力相助下,他復(fù)制出了與玻爾模型完全相同的答案。因此,他決定暫且不發(fā)表相對論性部分,只把非相對論性波動方程與氫原子光譜分析結(jié)果,寫為一篇論文。1926年,他正式發(fā)表了這論文。

    這篇論文迅速在量子學(xué)術(shù)界引起震撼。普朗克表示“他已閱讀完畢整篇論文,就像被一個(gè)迷語困惑多時(shí),渴慕知道答案的孩童,現(xiàn)在終于聽到了解答”。愛因斯坦稱贊,這著作的靈感如同泉水般源自一位真正的天才。愛因斯坦覺得,薛定諤已做出決定性貢獻(xiàn)。由于薛定諤所創(chuàng)建的波動力學(xué)涉及到眾所熟悉的波動概念與數(shù)學(xué),而不是矩陣力學(xué)中既抽象又陌生的矩陣代數(shù),量子學(xué)者都很樂意地開始學(xué)習(xí)與應(yīng)用波動力學(xué)。自旋的發(fā)現(xiàn)者喬治·烏倫貝克驚嘆,“薛定諤方程給我們帶來極大的解救!”沃爾夫?qū)づ堇?/a>認(rèn)為,這論文應(yīng)可算是最重要的著作之一。

    薛定諤給出的薛定諤方程能夠正確地描述波函數(shù)的量子行為。在那時(shí),物理學(xué)者尚不清楚如何詮釋波函數(shù),薛定諤試圖以電荷密度來詮釋波函數(shù)的絕對值平方,可并不成功。1926年,玻恩提出概率幅的概念,成功地詮釋了波函數(shù)的物理意義。但是薛定諤與愛因斯坦觀點(diǎn)相同,都不贊同這種統(tǒng)計(jì)或概率方法,以及它所伴隨的非連續(xù)性波函數(shù)坍縮。愛因斯坦主張,量子力學(xué)是個(gè)決定性理論的統(tǒng)計(jì)近似。在薛定諤有生的最后一年,寫給玻恩的一封信中,他清楚地表示他不接受哥本哈根詮釋。

    參考資料

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