v2.0.9794.34739
Fizyka dla każdego
Funkcja falowa i jednowymiarowe modele kwantowe · 3 min czytania

Nieskończona studnia potencjału: skąd biorą się dozwolone energie?

W klasycznym pudełku cząstka może poruszać się z dowolnie małą szybkością. W kwantowym modelu nieprzenikalnych ścian najniższa energia ruchu jest dodatnia. Nie trzeba przyjmować tego jako osobnego zakazu: wynik otrzymamy z równania Schrödingera i warunków na obu końcach przedziału.

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

Oceń ten artykuł: od 1 do 5 gwiazdek
(0 głosów) . Jeszcze nie oddano głosów.

Kliknij gwiazdkę, aby od razu oddać ocenę. Klawiaturą wybierz gwiazdkę klawiszem Tab i naciśnij Enter lub spację. Jeden głos na materiał z danej przeglądarki.

W klasycznym pudełku cząstka może poruszać się z dowolnie małą szybkością. W kwantowym modelu nieprzenikalnych ścian najniższa energia ruchu jest dodatnia. Nie trzeba przyjmować tego jako osobnego zakazu: wynik otrzymamy z równania Schrödingera i warunków na obu końcach przedziału.

Potrzebne wiadomości: Normalizacja funkcji falowej, całki funkcji trygonometrycznych, druga pochodna, energia kinetyczna i stała Plancka.

Najpierw określamy układ

Rozważamy jedną nierelatywistyczną cząstkę o masie m, bez spinu i oddziaływań z innymi cząstkami. Może znajdować się w przedziale 0<x<L. Energia potencjalna V jest tam równa zero, a ściany idealnie nieprzenikalne. Jest to nieskończona studnia potencjału. Litera V oznacza tutaj energię potencjalną w dżulach lub elektronowoltach, nie napięcie elektryczne.

Ściany opisujemy warunkami ψ(0)=ψ(L)=0, a poza studnią funkcja znika. Nie wymagamy dodatkowo zerowej pochodnej przy ścianie: nieskończona bariera jest idealizacją, przy której pochodna może być nieciągła. Warunki dla skończonego skoku potencjału będą inne.

Szukamy stanu o jednej energii

Równanie stacjonarne wewnątrz studni ma postać:

-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2\psi}{dx^2}=E\psi,\qquad \hbar=\frac{h}{2\pi}.

h to stała Plancka, ħ — jej wersja zredukowana. E jest szukaną energią stanu. Dla E>0 zapisujemy k=√(2mE)/ħ, o jednostce m⁻¹. Równanie ψ″=−k²ψ spełniają sinus i cosinus, więc ψ=A sin(kx)+B cos(kx). Pierwsza ściana daje B=0. Druga wymaga A sin(kL)=0. A nie może być zerowe, bo zerowa funkcja nie daje znormalizowanego stanu.

Stąd kL=nπ. Dodatnie liczby całkowite n=1,2,… oznaczają kolejne stany. n=0 dałoby funkcję zerową, a ujemne n tylko zmienia znak już znalezionej funkcji. Po podstawieniu k do energii otrzymujemy:

E_n=\frac{n^2\pi^2\hbar^2}{2mL^2}=\frac{n^2h^2}{8mL^2}.

Dyskretne energie wynikają z dopasowania funkcji do obu ścian. Nie wystarczy sinus o dowolnej długości fali: musi mieć zera we właściwych miejscach.

Normalizacja i węzły

Całka sin²(nπx/L) po całej studni wynosi L/2. Z warunku A²L/2=1 dostajemy znormalizowane funkcje:

\varphi_n(x)=\sqrt{\frac{2}{L}}\sin\frac{n\pi x}{L},\qquad 0\leq x\leq L.

Symbol φₙ wyróżnia konkretny stan własny energii, czyli funkcję, dla której równanie stacjonarne daje jedną wartość Eₙ. Funkcje dla różnych n są ortogonalne: całka φₙ*φₘ wynosi zero dla n≠m. Nie oznacza to, że ich iloczyn jest zerowy w każdym punkcie; dodatnie i ujemne wkłady znoszą się dopiero w całce.

Porównanie φ₁ i φ₂ oraz ich gęstości. Ujemna część φ₂ po prawej stronie daje dodatnią gęstość, a w środku dla n=2 występuje węzeł.
Górny wykres pokazuje bezwymiarową amplitudę √L φ, dolny — bezwymiarową gęstość L|φ|². Te wykresy przedstawiają różne wielkości. Kliknij rysunek, aby go powiększyć.

Stan n ma n−1 węzłów wewnątrz przedziału. Ujemna amplituda nie oznacza ujemnego prawdopodobieństwa, a węzeł oznacza zerową gęstość w danym punkcie. Nie jest to klasyczna przeszkoda rozcinająca pudełko na osobne komory.

Dlaczego nie ma energii równej zero?

Dla E=0 równanie daje ψ″=0, czyli ψ=Ax+B. Warunek w x=0 zeruje B, a warunek w x=L zeruje A. Pozostaje wyłącznie funkcja zerowa. Dodatnią energię najniższego stanu otrzymujemy więc z warunków brzegowych. Ogólniej, po całkowaniu przez części energia stanu własnego jest proporcjonalna do ∫|ψ′|²dx i nie może być ujemna przy V=0 w studni.

Przykład: elektron w obszarze o szerokości nanometra

Dla masy elektronu wygodne przybliżenie stałej wynosi h²/(8mₑ)=0,3760 eV·nm². Przy L=1,0 nm otrzymujemy E₁=0,3760 eV, E₂=1,504 eV i E₃=3,384 eV. Odstępy wynoszą odpowiednio 1,128 eV oraz 1,880 eV. Rosną wraz z n; poziomy nie tworzą drabiny o równych szczeblach.

Liniowa skala E/E₁ z poziomami 1, 4 i 9 oraz odstępami 3 i 5. Poziom zero nie jest dozwoloną energią stanu studni.
Energię odnosimy do dna studni. Wykres poziomów nie przedstawia kształtu funkcji falowej ani toru cząstki. Kliknij rysunek, aby go powiększyć.

Dwukrotnie szersza studnia ma czterokrotnie mniejsze energie dla tego samego n. Nie wynika z tego, że dowolne nagłe przesunięcie ściany automatycznie pozostawi cząstkę w tym samym n: to osobny problem ewolucji stanu. Porównujemy tu dwa ustalone modele.

Co oznacza stan stacjonarny?

Pełna funkcja zależna od czasu to φₙ(x)exp(−iEₙt/ħ). Czynnik czasowy ma moduł jeden, zatem gęstość położenia nie zmienia się w czasie. Nie znaczy to, że cząstka klasycznie stoi w miejscu. Ma niezerową energię kinetyczną; w stanie φₙ średni pęd jest zerowy, lecz nie każdy wynik jego pomiaru jest zerowy. Superpozycja różnych energii może już mieć zmienną gęstość.

Sprawdź się: czy stan n=2 ma dwa wewnętrzne węzły? Ma jeden, przy x=L/2. Dwa pozostałe zera wynikają ze ścian. Ta różnica pozwala poprawnie rozpoznać stan na rysunku.

Zadania do tego tematu

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Teoria Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.