X’id huwa l-Equazzjoni ta’ Schrödinger?
L-equazzjoni ta’ Schrödinger (anke magħrufa bħala equazzjoni tal-mogħdija ta’ Schrödinger) hi equazzjoni partiċi differenzjali li tiddeskrivi d-dinamika tas-sistemi mekanika kvantika permezz tal-funzjoni tal-mogħdija. It-trajett, il-pożizzjoni, u l-enerġija ta’ dawn is-sistemi jistgħu jiġu mrieħa billi tiġi solvuta l-equazzjoni ta’ Schrödinger.
Kollass informazzjoni għal partikula subatomika hija enkodifikata fil-funzjoni tal-mogħdija. Il-funzjoni tal-mogħdija se tkun soddisfa u tista' tisolvta permezz tal-equazzjoni ta’ Schrödinger. L-equazzjoni ta’ Schrödinger hi waħda mill-assiomi fundamentali li jintroduċu fl- fizika tal-livell universitarju. Huwa wkoll aktar komuni li tintroduċi l-equazzjoni ta’ Schrödinger fil-pjan di studju tal-inginerija elettrika fid-università minħabba li tappplika għal semiconduċturi.
Infatt, fik-ktieb kella, hi biss tinstab bħala postulat u qatt ma tinġix derivata b'mod signifikanti. Dan huwa ħafif dissatisfatt, għax kemm mhux kbir ta’ l-każ fit-fizika kvantika tal-livell universitarju huwa mbini fuq din il-base. F’dan l-artiklu, se niderivaw l-equazzjoni mill-bidu u nħarsu l-aħħar pass possibli.
Interessantement, l-argumenzi li se niffaċċjaw huma l-istess li l-Schrödinger stess ħalliet, għalhekk tista' tara r-rigat tad-dħiela li raġel kbir kien qed jagħmel fl-ħin tiegħu. Bħala rikord, hawn hekk huwa l-equazzjoni ta’ Schrödinger dipendenti minn it-temps fi tliet dimenżjonijiet (għal partikla non-relativistika) mal-ħilja:
![]()
Fizika Kvantika u Mogħdiji
Kull wieħed jħobb jikkarriġa l-fizika klassika – imma servitna ħafna għal ftit (fekk trid ttfittex l-mekanika Newtonjana, l-equazzjonijiet ta’ Maxwell, u l-relatitività speċjali).
Imma, kif dan nieħdu l-istess articoli ta' qabel, ir-riżultati sperimentali f'dawn il-miljun tad-dar għal dar ma kienu qishom ħafna mal-fiżika magħrufa tal-ħin. L-artikoli tagħna dwar it-esperjenza tal-wiżżet tnejn u b'mod ikkumulattiv il-lampa fotoelektrika huma riżultati sperimentali li ma kellelux jimpajjaw b'sodisfaċenz mal-komprens mill-ħin.
Però x'taħt? Bi soddità, fi l-fiżika klassika hemm żewġ entitajiet, partikli
Partikli: pakketti lokali ta' energija u momentu mehmeġ
.
Vloj: distorbimenti spazjaġi li jispandu f'dan l-ispazju u jivvaġġaw fit-temps. Jistgħu jiġu miftuħa bl-funzjoni tal-vloj
li tiftaħ il-vloj fil-ispazju u ftit-tps.
Dan jagħmelna nsib ir-riżultati sorprendenti f'l-Emissjoni Fotoelektrika tagħna. Ssibtu li l-elettron jimmutta dawk l-karatteristiċi. Dan jikkontraddi l-komprens magħruf tal-ħin, għax l-żewġ entitajiet kienu konsidratijiet esklussivi mutwal.
Qishom ħafna, mhux? Fi dawn il-ħin, xi persuni influenti fid-fiżika bdew jaqsmu li kellu x-gap fil-għarfien, u l-ħruġ kbir ġej minnu meta Louis de Broglie assosja momment (għal partiklu) mal-wavlen (għal vloj) imdat bi
Anki, minn Photoelectric Emission nafhu l-għadid ta’ absorzzjoni u emissjoni ta’ fotoni (li għalija mhux certi jekk huma partikoli jew talfien) li għandhom energija definita bħal
Ftittxuwa
u
. Iġġibu l-istess stadija li kienet qabla li Schrödinger derivaw l-ekwazzjoni tajba tagħhom. Però, minn fejn nibdew? Ħa nafu li l-elettroni u l-fotoni qed jmuraw bil-karatteristiċi tal-talfien u tal-partikolu. Ma jkunx xejn sbagħat biex nibdew mill-ekwazzjoni univursali li l-kulħadd tal-talfien għandhom jaqbadu, u wara dawk introduċi l-fizika tal-partikolu biex nara jekk jkollna riżultat.
Kif Derivaw l-Ekwazzjoni tal-Talfien
Il-moħħol
jgħaddi l-ekwazzjoni tal-talfien. Irkopp, l-elettron jmur bil-karatteristiċi tal-talfien u għandu karriġa elettromagnetika. Allura, għal issa, irnexxiel fil-kampi elettromagnetici. F’dan is-silġ, il-ligi ta’ Maxwell it-tappliku u hawnhom fl-kulur tagħhom:

Fejn
huwa l-veloċità tal-lanġas fil-vakju,
huwa l-kamp elettriku u
huwa l-kamp maġnetiku. L-equazzjoni ta' fuq hi s-silġ ta' ġeneraturi elettriki, indutturi, u trasformatori u ttemmam il-Liġi ta' Faraday.
Anki, waħda mill-konsegwenzi minn
hi li m'għandhomx monopoli maġnetiku. Taf il-derivazzjoni ta' dawn l-equazzjonijiet u l-signifikat fiziku tagħhom jgħin lil inġenier sabiex ikun qiegħed. Issa, derivaw l-equazzjoni li għandha tuċċid quddiem kull onda elettromagnetika bħalaapplikazzjoni ta' curl għal Equazzjoni 4:
Issa nistgħu nużaw identità vektorjali (u asseblata) familiari:
fejn
huwa vettur sostitutiv. Applikawha għal l-equazzjoni tagħna issa:
Ir-ridott il-problema huwa l-iżjum tal-ewweljoni elettromagnetiku fl-3 dimensjonijiet. Din l-iżjum ma tħassil biss fil-leġġi elettromagnetika – imma tħassilt ukoll fis-silġ akustika, fis-silġ sismika, fis-silġ tal-ħoss, fis-silġ tal-ilma, u fid-dinamika tal-flus.
Kif Tidderiva l-Equazzjoni ta' Schrödinger
Soluzzjonijiet tal-Plani tal-Ħoss għal l-Equazzjoni tal-Ħoss
Biddlu mill-equazzjoni tal-ħoss għal 1-dimensjoni (huwa verament ħafna sew jġeneraliża għal 3 dimensjonijiet wara kif il-logika se tkun applikabbli f’kull
, u
dimensjonijiet.):
Din, fi realta', hi equazzjoni differenzjali parzjali tas-silġ it-tnejn u tikkonformi mal-soluzzjonijiet tal-ħoss tal-plani:
Min nafu l-mekkanika tal-ħalq normali li
u
. Iddi, lana nużaw il-lavoro ta' Einstein u Compton u nsostitwixxu l-fatt li l-enerġija tal-foton hija magħrufa bħala
u minn de-Broglie li
. Nistgħu nagħmlu aktar massaż għall-soluzzjoni tal-ħalq pjanar:
Din hi l-equazzjoni tal-ħalq pjanar li tdescrivi l-foton. Aħna nisostitwixxu din l-equazzjoni fil-equazzjoni tal-ħalq tagħna u naraw x'nisghu!
F’hekk,
li tajjeb ħafna għax nafu mill-relatività speċjali li l-enerġija totale għal partikula relativiżta b'massa
hi:
U sibna nistgħu niffaċċaw bl-foton biss sa l-aħħar, li ma għandux massa
! Allura, hawn huwa l-mument li nghiddu li nagħmlu l-pass għal partiċella b'massa (kif il-lilektron pereżempju) u nibdel il-nom tal-equazzjoni tagħna f'
għax aħna ballers.
Il-quddiem, din l-equazzjoni ġejja minn is-sostituzzjoni tal-equazzjoni tal-onda tas-silġ fil-equazzjoni tal-onda. Imma, skont ir-ridott li għandna l-enerġija tisolvi l-enerġija relativiżta totale għal partiċella b'massa, għandna nivvogħġu l-equazzjoni tal-onda qisqos. Dan għalhekk li l-equazzjoni tal-onda ma tista' tkun tola fis-silġ nuvo tal-
li tiddeskrivi partiċelli u ondi. Ora, nistgħu nivvogħġu għal operator biex nikkriġu l-equazzjoni ta' fuq, u hi magħrufa bħal:
Il-Soluzzjoni ta' Partikli b'Masa fil-Equazzjoni tal-Ħalqa
Issa naraw li nagħmlu xi approssimazzjonijiet fuq l-enerġija kollha li ħsebna qabel bl-
għal partiklu b'momentum u massa. Biss naraw li niffruxu l-formola qishom biex nużaw xi approssimazzjonijiet.
Il-kelb tal-maniplu dan huwa biex inegħtieq l-equazzjoni f'forma ta'
sabiex jekk nikkalkulaw it-talsil ta' Taylor ta' din l-equazzjoni nistgħu:
Meta
huwa żgħir, il-parti l-biss li tibqa' fil-taljament Taylor hija il-
termin. Fil-formola tagħna tal-enerġija,
. Nistgħu niftekmu mill-fatt li
għal ħafna li ma jiġux bil-veloċità tal-lum (jekk toqgħod xi xosa li ma taqbilhom dan, jekk jogħġbok innota)!. Allura din it-termi tista' tużaw:
Fejn
Huwa l-enerġija kinetika normali li nara minn fizika tas-silġ. Ora, nruġġu lil funzjoni tal-mogħża, inqaddmu d-informazzjoni ġdida u naraw x’se nġibu:
Il-razjoni li ġejna nseħħu l-termini żewġa hawnhekk hija li l-terminu l-ewwel
(mill-veloċità tal-lum biss) se tkun ossiljattiva kbir iktar mill-terminu t-tieni u ma jiddeskrivix il-partiklu-ondata li qed nghaddu minnu. Għalhekk biex nkunu ċerti ta' din id-differenża, stabiliw li:
Fejn definajna:
Ħalli nikkalkulaw il-derivati parziali l-ewwel u t-tieni ta'
u nara x-xellug li s-saħħu. Il-ewwel:
u t-tieni:
Għandna tibqa’ qalbi rikordu li l-aħħar term b’is-silġ ta’ l-derivata partiċi jew huwa ħafif minħabba li ma jexxi aktar term b’magħnud ta’
li jporta magħnud, u għalhekk, bl-apprussimazzjoni, is-silġ ta’ l-derivata vera hija:
Ir-rażun tal-baħar li ħsejnna dawn it-tnejn derivati partiċi kienet biex nistgħu nqaddemhom fid-dinja tal-moħħ ta’ din l-iżjed equazzjoni li tdeskrivi l-funzjoni tal-mogħża:
Sedtki qabel ma naqdi dan, hawn huwa wieħed nagħmlu riarranġament ta’ din l-formola u se nkunu bil-qiegħed ma’ equazzjoni li tissejjaħ l-equazzjoni Klein-Gordon:
Issa, nistħu nagħmlu ġeneraliżazzjoni ta' dan għal tliet dimenżjonijiet billi nittrasformaw l-iżwiedija f'iżwiedija vettorjali (kull pass li ħassna biex nirdjaw din il-formola se tippappla għal kull
, u
.)
Dan l-iżwiedija huwa mafhuż bħala l-iżwiedija Klein-Gordon għal partiklu ħalisa. Dan l-iżwiedija hu relativistiċi minħabba li t-term tal-enerġija mhux jassumix is-silġ li ħassna mal-taqsir żgħir tal-
Taylor.
Issa, hawnhekk, nghasibu l-iżwiedija Klein-Gordon (qabel naqdi lura għal dimenżjun wahid u napplikaw it-taqsim tal-enerġija ġdid) u sseħħu nispiċċu l-iżwiedija Schrödinger:
Ħa nnipponu l-funzjoni tal-mogħża ġdida li tiegħu
fejn nafu kif tibda l-ewwel u t-tnejnija derivati rispettivament għal żmien:
Issa jien għandna nqasmi biss biex nistgħu nużaw l-Equazzjoni ta' Schrödinger fit-tliet dimentjonijiet (itgħallim li
):
Fejn tista’ tiġi fatta l-argumen tal-liġi mill-aħwa tas-silġ tal-Hamiltonjan klassiku li t-term fuq is-silġ destri tal-equazzjoni tiddeskrivi l-enerġija totale tal-funzjoni tal-mogħża.
Fl-inferenza tagħna, assumajna li
hu 0 u li s-sola l-enerġija kinetika kienet ġiet wieġba. Nafu li l-potentjal hu purament addittiv mal-varjazzjonijiet spazjali u għalhekk, l-Equazzjoni ta' Schrödinger tliet dimentjonijiet kompletta bl-potentjal hi:
Din hi! Hawn qiegħdin, din l-artiklu derivat l-Equazzjoni ta' Schrödinger kompleta għal partikola non-relativistika fit-tliet dimentjonijiet. Jekk inti għamlilt xiexwieq minn dan il-post u trid tara aktar posti bħal dawn, jekk jogħġbok, tibgħat email lena biex nagħtulha nifsna.
Referenzi
Gasiorowicz, S. (2019). Fizika Kwantitativa. 2na edizzjoni. Kanada: Hamilton Printing, pp.1-50.
Griffiths, D. (2019). Fizika Kwantitativa. 3ja edizzjoni. University Printing House, Cambridge: Cambridge University Press.
Ward, D. u Volkmer, S. (2019). Kif Tidħol l-Equazzjoni ta' Schrödinger. [online] arXiv.org. Disponibbli hawn: https://arxiv.org/abs/physics/0610121v1 [Accessed 29 Mejju 2019].
Shankar, R. (1980).Prinċipji tal-Fizika Kwantitativa. 1ja edizzjoni. New York: Springer Science, pp.1-40.
Dikjarazzjoni: Respektu l-orġinali, artikoli ġodda huma digni li jisshared, jekk hemm infringement jekk jogħġbok ikkuntattja tħassir.