Kiedy przybliżenie wykładnicze jest wystarczające?
Przy E=V₀/2 dokładny współczynnik przejścia wynosi T=1/cosh²z, gdzie z=κd. Przybliżenie dla grubej bariery daje Tₐ=4e⁻²ᶻ. Porównaj oba wyniki dla z=1 i z=3, oblicz względny błąd (Tₐ−T)/T i sprawdź przybliżenie dla z=0,10. Czy można stosować je aż do d=0?
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Zapisz cosh z przez funkcje wykładnicze. Dzięki temu iloraz przybliżenia i wyniku dokładnego uprości się bez odejmowania małych liczb.
Rozwiązanie
Dokładna postać pokazuje opuszczony czynnik
Z definicji cosh z=(eᶻ+e⁻ᶻ)/2 otrzymujemy:
T=\frac{4e^{-2z}}{(1+e^{-2z})^2},\qquad \frac{T_a-T}{T}=(1+e^{-2z})^2-1=2e^{-2z}+e^{-4z}.
Przybliżenie zawsze zawyża wynik w tym szczególnym przypadku, a jego względny błąd maleje wraz z z.
Dwa porównania liczbowe
Dla z=1 dokładnie T≈0,41997, natomiast Tₐ≈0,54134. Względny błąd wynosi około 0,28899, czyli 28,90%. To zbyt duża różnica, jeśli oczekujemy kilku procent dokładności.
Dla z=3 otrzymujemy T≈0,0098660 oraz Tₐ≈0,0099150. Względny błąd to około 0,0049636, czyli 0,4964%. Wymóg dokładności do 1% jest już spełniony. Mała bezwzględna różnica nie wystarczałaby sama do oceny: porównaliśmy ją z małym współczynnikiem przejścia.
Granica cienkiej bariery
Dla z=0,10 przybliżenie daje Tₐ≈3,2749. Wynik większy od jedności jest niemożliwy jako współczynnik przejścia w tym modelu. Dokładnie T≈0,99007. Przy d→0 mamy z→0, T→1, ale Tₐ→4. Przybliżenie wyprowadzone dla dużego z nie ma prawa opisywać przeciwnej granicy.
Nie naprawiamy go przez sztuczne obcięcie wyniku do jedności. Wracamy do dokładnego wzoru albo wybieramy rozwinięcie odpowiednie dla małego z. Tak rozpoznajemy zmianę zakresu stosowalności, a nie błąd zachowania prawdopodobieństwa w teorii.
Powiązana teoria
Tunelowanie przez prostokątną barierę: amplituda, prąd i zachowanie energii
Dalsza lektura
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto