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求解簡單的薛定諤方程

發布時間:2025-10-27閱讀(3)

我們經常可以看到薛定諤方程以許多不同的形式寫成,每種形式對應于不同的物理或數學場景。但今天,我們將以最簡單版本的薛定諤方程為例,講述求解方程的過程。對于更復雜的薛定諤方程,求解過程的邏輯也是如此。

首先,我們先來了解這個方程。波函數用希臘字母ψ表示,它用來描述我們所知道的特定量子系統的一切。例如,我們正在研究電子,波函數描述了我們在特定時間和特定空間找到電子的概率。

方程中的其他字母表示的是對波函數的限制。方程左邊的第一項描述了電子的動能,第二項描述了電子的勢能:在自由空間中勢能V=0,但是如果我們將電子放置在帶電金屬板附近,那么它的勢能肯定不為零。方程右邊的那一項可以看成電子的總能量。所以,薛定諤方程實際上是能量方程:動能 勢能=總能量。

同樣值得注意的是,我們使用的是與時間無關的薛定諤方程,所以基本上總能量不會隨時間變化,它是守恒的。我們設置的場景是,一個只能在一維方向上左右移動的粒子,而兩端是無限厚的墻壁,這樣就能避免量子隧穿這一復雜的情況。此外,兩個墻壁之間的勢能V=0。

現在,在這種最簡單的情景中,我們可以將薛定諤方程進一步很化簡:

接下來,我們可以把這個二階微分方程改變成物理人更為熟悉的形式,并用k代替那一堆復雜的字母組合。

很顯然,我們就可以寫出它的解:

如果不放心,可以將解帶回原方程進行驗證。接下來,我們要考慮的是,波函數要滿足邊界條件,也就是在墻壁處波函數為零。在x=0處,我們可以得到波函數ψ=0。在x=a處,sin(ka)=0,為了使它成立,ka必須等于π的正整數倍,于是我們有:

在這里,我們看到的能量是一種量子化的量子現象,我們發現只有特定的波函數才能存在,而特定的波函數對應于特定的能量。

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