Lista równań w mechanice kwantowej

Ten artykuł podsumowuje równania w teorii mechaniki kwantowej .

Funkcje falowe

Podstawową stałą fizyczną występującą w mechanice kwantowej jest stała Plancka , h . Popularnym skrótem jest ħ = h /2 π , znanym również jako zredukowana stała Plancka lub stała Diraca .

Ilość (nazwy zwyczajowe) (Powszechne) Symbole Definiowanie równania Jednostki SI Wymiar
Funkcja falowa ψ, Ψ Aby rozwiązać z równania Schrödingera zmienia się w zależności od sytuacji i liczby cząstek
Gęstość prawdopodobieństwa funkcji falowej ρ m -3 [L] −3
Prąd prawdopodobieństwa funkcji falowej J Nierelatywistyczne, bez pola zewnętrznego:

gwiazda * jest koniugatem złożonym

m -2 s- 1 [T] −1 [L] −2

Ogólna postać funkcji falowej dla układu cząstek, z których każda ma pozycję ri i składową z spinu sz i . Sumy są po zmiennej dyskretnej sz , całki po pozycjach ciągłych r .

Dla przejrzystości i zwięzłości współrzędne są zebrane w krotki, indeksy oznaczają cząstki (czego nie można zrobić fizycznie, ale jest to konieczne z matematycznego punktu widzenia). Poniżej przedstawiono ogólne wyniki matematyczne, wykorzystywane w obliczeniach.

Właściwość lub skutek Nomenklatura Równanie
Funkcja falowa dla cząstek N w 3d
  • r = ( r 1 , r 2 ... r N )
  • s z = ( s z 1 , s z 2 , ..., s z N )
W notacji funkcji:

w notacji stanikowej :

dla cząstek nieoddziałujących:

Transformata Fouriera położenia i pędu (1 cząstka w 3d)
  • Φ = funkcja falowa w przestrzeni pędu
  • Ψ = funkcja falowa w przestrzeni pozycyjnej
Ogólny rozkład prawdopodobieństwa
  • V j = objętość (obszar 3d), którą może zajmować cząstka,
  • P = Prawdopodobieństwo, 1 że cząstka 1 ma 2 pozycję r 1 w objętości V 1 ze spinem sz , a cząstka 2 ma pozycję r 2 w objętości V 2 ze spinem sz itd.
Ogólny warunek normalizacji

równania

Dualizm falowo-cząsteczkowy i ewolucja czasu

Właściwość lub skutek Nomenklatura Równanie
Równanie Plancka-Einsteina i zależności długości fali de Broglie'a
Równanie Schrödingera
Ogólny przypadek zależny od czasu:

Przypadek niezależny od czasu:

Równanie Heisenberga
  • Â = operator obserwowalnej własności
  • [ ] to komutator
  • oznacza średnią
Ewolucja czasu w obrazie Heisenberga ( twierdzenie Ehrenfesta )

cząstki.

Dla pędu i pozycji;

Nierelatywistyczne, niezależne od czasu równanie Schrödingera

Poniżej podsumowano różne formy, jakie przyjmuje hamiltonian, wraz z odpowiadającymi im równaniami Schrödingera i formami rozwiązań funkcji falowych. Uwaga w przypadku jednego wymiaru przestrzennego, dla jednej cząstki, pochodna cząstkowa sprowadza się do zwykłej pochodnej .

Jedna cząsteczka cząstek N
Jeden wymiar

gdzie położenie cząstki n wynosi x n .

Jest jeszcze jedno ograniczenie — rozwiązanie nie może rosnąć w nieskończoności, tak aby miało albo skończoną normę L 2 (jeśli jest stanem związanym ), albo normę wolno rozbieżną (jeśli jest częścią kontinuum ):

dla cząstek nieoddziałujących

Trzy wymiary

gdzie położenie cząstki to r = ( x, y, z ).

gdzie pozycja cząstki n to r n = ( x n , y n , z n ), a Laplacian dla cząstki n przy użyciu odpowiednich współrzędnych pozycji to

dla cząstek nieoddziałujących

Nierelatywistyczne, zależne od czasu równanie Schrödingera

Ponownie, poniżej podsumowano różne formy, jakie przyjmuje hamiltonian, wraz z odpowiadającymi im równaniami Schrödingera i formami rozwiązań.

Jedna cząsteczka cząstek N
Jeden wymiar

gdzie położenie cząstki n wynosi x n .

Trzy wymiary

To ostatnie równanie ma bardzo wysoki wymiar, więc rozwiązania nie są łatwe do wizualizacji.

Fotoemisja

Właściwość/efekt Nomenklatura Równanie
Równanie fotoelektryczne
  • K max = Maksymalna energia kinetyczna wyrzuconego elektronu (J)
  • h = stała Plancka
  • f = częstotliwość padających fotonów (Hz = s −1 )
  • φ , Φ = Praca wyjścia materiału, na który padają fotony (J)
Częstotliwość progowa i funkcja pracy
  • φ , Φ = Praca wyjścia materiału, na który padają fotony (J)
  • 00 f , ν = Częstotliwość progowa (Hz = s -1 )
Można znaleźć tylko eksperymentalnie.

Relacje De Broglie podają zależność między nimi:

Pęd fotonu
  • p = pęd fotonu (kg ms −1 )
  • f = częstotliwość fotonu (Hz = s −1 )
  • λ = długość fali fotonu (m)

Relacje De Broglie dają:

Niepewność kwantowa

Właściwość lub skutek Nomenklatura Równanie
Zasady nieoznaczoności Heisenberga
Pozycja-pęd

mi

σ

Dyspersja obserwowalnych A = obserwowalne (wartości własne operatora)

Ogólna relacja niepewności A , B = obserwowalne (wartości własne operatora)
Rozkłady prawdopodobieństwa
Właściwość lub skutek Równanie
Gęstość stanów
Dystrybucja Fermiego – Diraca (fermiony)

Gdzie

  • P ( E i ) = prawdopodobieństwo energii E i
  • g ( E i ) = degeneracja energii E i (liczba stanów o tej samej energii)
  • μ = potencjał chemiczny
Dystrybucja Bosego-Einsteina (bozony)

Moment pędu

Właściwość lub skutek Nomenklatura Równanie
Liczby kwantowe momentu pędu

wirować:

Orbitalny:

Suma:

Wielkości momentu pędu moment pędu:
  • S = wirowanie,
  • L = orbitalny,
  • J = suma
Wielkość wirowania:

Wielkość orbity:

Całkowita wielkość:

Składowe momentu pędu Kręcić się:

Orbitalny:

Momenty magnetyczne

W dalszej części B jest przyłożonym zewnętrznym polem magnetycznym i zastosowano powyższe liczby kwantowe.

Właściwość lub skutek Nomenklatura Równanie
orbitalny magnetyczny moment dipolowy

składnik z:

spinowy magnetyczny moment dipolowy

składnik z:

potencjał momentu dipolowego U = energia potencjalna dipola w polu

Atom wodoru

Właściwość lub skutek Nomenklatura Równanie
Poziom energii
Widmo przejścia długość fali emitowanego fotonu, podczas elektronowego z Ei Ej do

Zobacz też

przypisy

Źródła

Dalsza lektura