Zanikający ogon i fala płaska: który stan można znormalizować?
Porównaj dwa kształty na całej osi: f(x)=exp(−|x|/a), gdzie a>0 ma jednostkę długości, oraz g(x)=exp(ikx), gdzie k jest rzeczywiste i ma jednostkę m⁻¹. Który daje stan ψ=A f albo ψ=A g normalizowalny do jedności? Dla normalizowalnego kształtu wyznacz A>0 i P(|x|<a). Rozpatruj tylko rozkład w jednej chwili; nie podano potencjału ani równania dalszej ewolucji.
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Moduł exp(ikx) wynosi jeden. Dla pierwszego kształtu wykorzystaj parzystość i pamiętaj o kwadracie wykładnika w gęstości.
Rozwiązanie
Całka dla zanikającego kształtu
Po obu stronach zera gęstość ma taki sam kształt. Dlatego:
\int_{-\infty}^{\infty}|Af(x)|^2\,dx=2A^2\int_0^\infty e^{-2x/a}\,dx=A^2a.
Zatem A=1/√a, o jednostce m−1/2. Całka po środkowym przedziale daje:
P(|x|\lt a)=\frac{2}{a}\int_0^a e^{-2x/a}\,dx=1-e^{-2}\approx0{,}86466.
Prawdopodobieństwo poza tym przedziałem wynosi e⁻²≈0,13534. Ogon nigdy nie urywa się dokładnie, ale jego całka jest skończona. Około 86,47% wyników leży w odległości mniejszej niż a od początku osi.
Dlaczego fala płaska jest inna?
Dla rzeczywistego k moduł exp(ikx) jest równy jeden. Całka |A|² po całej nieskończonej osi rozbiega się dla każdego A≠0. Wybór A=0 dałby całkę zero, a nie jeden. Tego kształtu nie można znormalizować w zwykły sposób jako stanu jednej zlokalizowanej cząstki.
Nie wyrzucamy więc fal płaskich z teorii. Są użytecznymi stanami uogólnionymi i składnikami pakietów falowych. Skończone pudełko zmieniłoby zadanie normalizacji, ale byłoby innym układem. Również znormalizowany kształt f nie został tu uznany za stan o określonej energii: do takiego wniosku trzeba znać potencjał i właściwe warunki równania Schrödingera, także przy x=0.
Powiązana teoria
Funkcja falowa: jak obliczyć prawdopodobieństwo położenia?
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