Teil 2 Einfache Anwendungen der QMVorwortEinleitung1. Verallgemeinerung der Wellengleichung2. Der Operator für den Impuls3. Der Orts - Operator4. Das Teilchen im Kasten5. Bewegung in zwei Dimensionen6. Die harmonische Schwingung7. Umlauf in zwei Dimensionen8. Mathematische Werkzeuge9. Umlauf in drei Dimensionen10. KugelflächenfunktionenZum Schluss Über die Ursache der SchwerkraftWas ist LadungDas Wasserstoffmolekül – IonDie KernkraftElementare StrukturenTeil 1 Einstieg in die Quantenmechanik (QM)Teil 2 Einfache Anwendungen der QMTeil 3 Weiterführende QMDas energieerhaltende GravitationsgesetzTheoretische Untersuchung der Rydbergkonstante des WasserstoffatomsÜber die innere Struktur der ElektronmasseÜber die innere Struktur des NeutronsÜber den Zusammenhalt der Nukleonen im AtomkernElementar-Physikalische Aufsätze |
6. Die harmonische SchwingungEbenso wie das Teilchen im Kasten ist ein harmonisch schwingendes Teilchen in einem symmetrischen Potenzial gefangen. Ein Teilchen führt hier eine harmonische Schwingung aus, da es eine rücktreibende Kraft (F) verspürt, die proportional zu seiner Auslenkung (x) aus der Ruhelage (0) ist. Prinzipbild
Abildung 7 Beispielweise kann es sich um ein Teilchen handeln, das über eine Spiralfeder mit einer stabilen Wand verbunden ist. Die Proportionalitätskonstante k ist die Kraftkonstante der Feder. Je härter die Feder, desto größer ist ihre Kraftkonstante. Das negative Vorzeichen stellt sicher, dass die Kraft der Auslenkung entgegengerichtet ist. Gemäß dem zweiten Newton’schen Gesetz ist die Ableitung des Impulses (p=mv, wobei v=dx/dt) nach der Zeit gleich der auf das Teilchen wirkenden Kraft (F). Im eindimensionalen Fall heißt das Mit Gl. (47) hat analog zu Gl. (22) Lösungen der Form wie Gl. (23): Hierbei ist der Funktionswert x(t) die Auslenkung x aus der Nulllage in Abhängigkeit der Zeitdauer t seit Auslenkung aus der Nulllage. Im Moment der größten Auslenkung, also bei x=A, steht das Teilchen für einen infinitesimalen Moment still (v=0). Mit ergibt. Im Moment des Durchlaufens der Schwingungsmittellinie an der Stelle x=0 ist nach Gl. (47) F=0. Somit ergibt sich über Die Schwingungsdauer T zwischen beiden maximalen Auslenkungen A beträgt Bei Bt=0 ist der vom Teilchen der Masse m verursachte Impuls p am größten. Es ist dann nämlich cos(Bt)=1, womit pmax=mBA wird. Bei Bt=p ist die auf das Teilchen wirkende Kraft F am größten. Es ergibt sich über Die kinetische Energie ergibt sich über Mit w2=k/m erhalten wir Die auf ein Teilchen wirkende Kraft F ist durch die Steigung der potenziellen Energie an seinem Ort gegeben. Die Kraft zeigt in Richtung abnehmender potenzieller Energie. Die Kraft F=-kx auf ein Teilchen hängt durch
Kraft auf ein harmonische schwingendes Teilchen
Abbildung 8
Mit Damit beträgt die Gesamtenergie (Addition der potenziellen und kinetischen Energie) wobei wir cos2wt+sin2wt=1 verwendet haben. Die Energie Eges des Oszillators ist also konstant und für eine gegebene Kraftkonstante k durch die maximale Auslenkung A bestimmt. Somit können wir dem Teilchen eine beliebige Energie geben, indem wir seine maximale Auslenkung A wählen. Die Schwingungsfrequenz w hängt nur von seinem Aufbau ab (k und m), nicht aber von seiner Energie. Die Amplitude legt durch E=½kA2 die Energie des Oszillators fest; sie ist unabhängig von der Frequenz. Das Teilchen schwingt immer mit der gleichen Frequenz, egal wie groß seine Amplitude ist. Damit ergibt sich durch Einsetzen des Ausdrucks für die Gesamtenergie V(x)=½kx2 in Gl. (34) des Teils I die Schrödinger-Gleichung für die harmonische Schwingung zu Der Operator Er setzt sich analog zu Teil I Gl. (35) aus dem Operator der kinetischen Energie und dem Operator der potenziellen Energie zusammen: Êges=Êkin+Êpot. Dabei entspricht der Operator Êpot einfach der Multiplikation der Wellenfunktion y(x) mit dem Ausdruck ½ kx2.
Parabolischer Verlauf der potenziellen Energie V(x)= ½ kx2
Abbildung 10 Die Enge der Kurve in Abb. (10) wird durch die Kraftkonstante k bestimmt. Versuchen wir nun, Gl. (54) zu lösen. Ebenso wie das Teilchen im Kasten ist ein harmonisch schwingendes Teilchen in einem symmetrischen Potenzial gefangen, das für hinreichend große Auslenkungen große Werte annimmt (und schließlich gegen unendlich geht, vgl. Abbildung 10). Wir erkennen jedoch auch zwei bedeutsame Unterschiede. Erstens wird die Wellenfunktion für große Auslenkungen langsamer gegen null gehen als bei einem Teilchen im Kasten, da das Potenzial nur mit x² und nicht abrupt gegen unendlich geht. Zweitens hängt die kinetische Energie des Teilchens auf kompliziertere Weise von der Auslenkung ab, da die potenzielle Energie sich mit der Auslenkung ändert. Folglich wird die Bestimmung der Wellenfunktion für ein harmonisch schwingendes Teilchen komplizierter als die Bestimmung der Wellengleichung für ein Teilchen im Kasten. Daher vereinfachen wir zunächst die Form der Gleichung. Im ersten Schritt dividieren wir beide Seiten von Gl. (54) Den auf der rechten Gleichungsseite sich ergebenden Ausdruck Der erste Term auf der linken Seite der Gl. (54) wird bei Division durch Der zweite Term auf der linken Seite wird zu Damit haben wir die Gl. (54) umgeformt und können schreiben
Wir können aber nun den im obigen Ausdruck für y2 unter dem Bruchstrich stehenden Faktor Somit können wir schreiben Um die Lösung dieser Gl. (56) zu finden, nehmen wir an, dass die exakte Wellenfunktion die Form hat: Hierbei soll f eine Funktion sein, die für große Auslenkungen langsamer gegen unendlich geht, als Mit diesem Ansatz unterstellen wir, dass die Wellenfunktion die Form einer glockenförmigen Gauss-Funktion hat. Diese Funktion setzen wir in Gl. (56) ein. Hierzu erinnern wir uns wieder an die grundlegenden Rechenregeln der Differentiation der Funktion
Diese Differentialgleichung wird als „Hermitesche (selbstadjungierte) Differentialgleichung H“ bezeichnet. Sie wurde von den Mathematikern intensiv untersucht, und ihre Lösungen sind bekannt. Physikalisch sinnvolle Lösungen (d. h. solche, die nicht schneller gegen unendlich gehen als
Dieses Ergebnis bedeutet, dass –ebenso wie unsere Überlegungen zum Teilchen im Kasten- auch der mathematische Formalismus zur Beschreibung der harmonischen Schwingung die Annahme von Energieniveaus oder „energetischen Anregungszuständen“ der Teilchen gestattet, da in beiden Fällen Potenzialwände vorhanden sind. Da energetische Anregungszustände in der Natur beobachtet werden, z. B. in Gestalt von Spektrallinien beim Wasserstoffatom, erfährt dieser mathematische Ansatz so seine Rechtfertigung. Es ist wieder erstaunlich, dass die konsequente Anwendung des mathematischen Formalismus auf eine einfache Grundbewegungsart eines Teilchens, das harmonisch um eine Mittellage hin- und her schwingt schon auf solch grundlegende physikalische Ansätze führt. Wir schreiben daher e=2n+1, mit n=0, 1, ... Aus der Beziehung zwischen E und e gemäß
Energieniveaus eines harmonischen Oszillators Abbildung 11 Die Energieniveaus eines harmonischen Oszillators sind äquidistant, d. h. der Abstand zwischen benachbarten Energieniveaus beträgt unabhängig von n stets Mit Gl. (58) können wir Gl. (57) umschreiben und erhalten: Die Form der Wellenfunktion erhalten wir aus der Lösung dieser Hermite-Differential- Gleichung. Die mathematische Herleitung der Lösung ist hier nicht angegeben. Für positive ganze Zahlen n sind die Lösungen die Hermite-Polynome Hn(y), die durch n- malige Differentiation von
Die ersten Hermite-Polynome Hn(y) sind zusammen mit einigen ihrer häufig verwendeten Eigenschaften in ng. Tabelle aufgeführt:
Die genaue Form der Wellenfunktion Hierbei ist Für das erste Hermite-Polynom gilt H0=1. Somit lautet die Wellenfunktion des Grundzustandes (also des Zustandes mit der niedrigsten Energie) eines harmonischen Oszillators: und die Wahrscheinlichkeitsdichte
Normierung der Wellenfunktion Die Schrödinger-Gleichung besitzt die Eigenschaft, dass für jede Lösung y auch Ny eine Lösung ist, wenn N eine beliebige Konstante ist. Da wir die Wellenfunktion also mit einem beliebigen konstanten Faktor multiplizieren dürfen, können wir eine Normierungskonstante so wählen, dass aus der Proportionalität in der Bornschen Interpretation eine Gleichheit wird. Diese Normierungskonstante erhalten wir aus folgender Überlegung. Für die normierte Wellenfunktion Ny beträgt die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen in Intervall dx anzutreffen, (Ny)×(Ny)dx. Die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen überhaupt irgendwo im Raum anzutreffen, soll 1 sein. Wir schreiben daher Das Integrationsergebnis wurde dem Teubner-Taschenbuch Mathematik, s. Seite 128 entnommen. Die Normierungskonstante ist Die Wellenfunktion lautet demnach: Normierte Wellenfunktion und Wahrscheinlichkeitsdichte bei n=0
Abbildung 12 Wellenfunktion und Wahrscheinlichkeitsdichte haben beide ein Maximum bei der Auslenkung null und bestätigen so unser klassisches Bild von der Nullpunktsbewegung, dass das Teilchen um seine Ruhelage oszilliert.
Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die ersten fünf Zustände Abbildung 13 Die Wahrscheinlichkeitsverteilungen sind hier durch die Dichte der Schattierung dargestellt. Die Bereiche der größten Wahrscheinlichkeitsdichte (der dunkelsten Schattierung) verschieben sich mit steigendem n in Richtung der klassischen Umkehrpunkte der Schwingung. Die Wellenfunktion im ersten angeregten Zustand, die Funktion mit n=1, erhalten wir, indem wir H1=2y einsetzen: Der Verlauf dieser Funktion ist ng. Abbildung zu entnehmen: Normierte Wellenfunktion des ersten angeregten Zustands n=1 Abbildung 14 Die Funktion ist in der Ruhelage (bei der Auslenkung null) gleich null; die zugehörige Wahrscheinlichkeitsdichte besitzt je ein Maximum zu beiden Seiten der Ruhelage. Diese Wellenfunktion ist orthogonal zu der des Grundzustands (vgl. Abbildung 12). Damit haben wir die wichtige Bewegungsart „der harmonischen Schwingung mit der Methode der QM abschließend behandelt. |
||||||||||||||||
|
© 2026 physik-theologie.de - all rights reserved
|