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球對稱位勢和量子諧振子

快捷方式: 差异相似杰卡德相似系数参考

球對稱位勢和量子諧振子之间的区别

球對稱位勢 vs. 量子諧振子

球對稱位勢乃是一種只與徑向距離有關的位勢。許多描述宇宙交互作用的基本位勢,像重力勢、電勢,都是球對稱位勢。這條目只講述,在量子力學裏,運動於球對稱位勢中的粒子的量子行為。這量子行為,可以用薛丁格方程式表達為 其中,\hbar是普朗克常數,\mu是粒子的質量,\psi是粒子的波函數,V是位勢,r是徑向距離,E是能量。 由於球對稱位勢V(r)只與徑向距離有關,與天頂角\theta、方位角\phi無關,為了便利分析,可以採用球坐標(r,\ \theta,\ \phi)來表達這問題的薛丁格方程式。然後,使用分離變數法,可以將薛丁格方程式分為兩部分,徑向部分與角部分。. 在量子力學裏,量子諧振子(quantum harmonic oscillator)是古典諧振子的延伸。其為量子力學中數個重要的模型系統中的一者,因為一任意勢在穩定平衡點附近可以用諧振子勢來近似。此外,其也是少數幾個存在簡單解析解的量子系統。量子諧振子可用來近似描述分子振動。.

之间球對稱位勢和量子諧振子相似

球對稱位勢和量子諧振子有(在联盟百科)16共同点: 分離變數法玻尔模型無限深方形阱Delta位勢壘解析解諧振子能级能量薛定谔方程量子力学自由粒子連心力歸一條件本徵函數有限位勢壘有限深方形阱

分離變數法

數學上,分離變數法是一種解析常微分方程或偏微分方程的方法。使用這方法,可以藉代數來將方程式重新編排,讓方程式的一部分只含有一個變數,而剩餘部分則跟此變數無關。這樣,隔離出的兩個部分的值,都分別等於常數,而兩個部分的值的代數和等於零。.

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玻尔模型

玻尔模型是丹麦物理学家尼尔斯·玻尔于1913年提出的关于氢原子结构的模型。玻尔模型引入量子化的概念,使用经典力学研究原子内电子的运动,合理地解释了氢原子光谱和元素周期表,取得了巨大的成功。玻尔模型是20世纪初期物理学取得的重要成就,对原子物理学产生了深远的影响。.

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無限深方形阱

在物理學裏,無限深方形阱(infinite square potential),又稱為無限深位勢阱(infinite potential well),是一個阱內位勢為 0 ,阱外位勢為無限大的位勢阱。思考一個或多個粒子,永遠地束縛於無限深位勢阱內,無法逃出。關於這些粒子的量子行為的問題,稱為無限深方形阱問題,又稱為無限深位勢阱問題,盒中粒子問題(particle in a box problem),是一個理論問題。假若,阱內只有一個粒子,則稱為單粒子無限深方形阱問題。假若,阱內有兩個粒子,則稱為雙粒子無限深方形阱問題。假若,這兩個粒子是完全相同的粒子,則問題又複雜許多,稱為雙全同粒子無限深方形阱問題。在這裏,只討論單粒子無限深方形阱問題。 在經典力學裏,應用牛頓運動定律,可以非常容易地求得無限深方形阱問題的解答。假設粒子與阱壁的碰撞是彈性碰撞,粒子的動能保持不變。則這粒子在方形阱的兩阱壁之間來回移動,碰撞來,碰撞去,而速率始終保持不變。在任意時間,粒子在阱內各個位置的機率是均勻的。 在量子力學裏,這問題突然變得很有意思。許多基要的概念,在這問題的解析中,呈現了出來。由於問題的理想化與簡易化,應用薛丁格方程,可以很容易地,雖然並不是很直覺地,求得解答。滿足這薛丁格方程的能量本徵函數,是表達粒子量子態的波函數。每一個能量本徵函數的能量,只能是離散能級譜中的一個能級。很令人驚訝的是,離散能級譜中最小的能級不是 0 ,而是一個有限值,稱為零點能量!這系統的最小能級量子態的能級不是 0 。 更加地,假若測量粒子的位置,則會發現粒子在阱內各個位置的機率大不相同。在有些位置,找到粒子的機率是 0 ,絕對找不到粒子。這些結果與經典力學的答案迥然不同。可是,這些結果所根據的原理,早已在許多精心設計的實驗中,廣泛地證明是正確無誤的。.

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Delta位勢壘

在量子力學裏,Delta位勢壘是一個壘內位勢為狄拉克Delta函數,壘外位勢為0的位勢壘。Delta位勢壘問題專門研討,在這種位勢的作用中,一個移動的粒子的量子行為。我們想要知道的是,在被Delta位勢壘散射的狀況下,粒子的反射係數與透射係數。在許多量子力學的教科書裏,這是一個常見的習題。.

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解析解

解析解,又稱為閉式解,是可以用解析表達式來表達的解。 在数学上,如果一个方程或者方程组存在的某些解,是由有限次常见运算的組合给出的形式,则称该方程存在解析解。二次方程的根就是一个解析解的典型例子。在低年级数学的教学当中,解析解也被称为公式解。 当解析解不存在时,比如五次以及更高次的代数方程,则该方程只能用数值分析的方法求解近似值。大多數偏微分方程,尤其是非线性偏微分方程,都只有數值解。 解析表達式的准确含义依赖于何种运算称为常见运算或常见函数。传统上,只有初等函数被看作常见函数(由於初等函數的運算總是獲得初等函數,因此初等函數的運算集合具有閉包性質,所以又稱此種解為閉式解),无穷级数、序列的极限、连分数等都不被看作常见函数。按这种定义,许多累积分布函数无法写成解析表達式。但如果把特殊函数,比如误差函数或gamma函数也看作常见函数,则累积分布函数可以写成解析表達式。 在计算机应用中,这些特殊函数因为大多有现成的数值法实现,它们通常被看作常见运算或常见函数。实际上,在计算机的计算过程中,多数基本函数都是用数值法计算的,所以所谓的基本函数和特殊函数对计算机而言并无区别。 J J J en:Analytical expression ja:解析解.

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諧振子

古典力學中,一個諧振子(harmonic oscillator)乃一個系統,當其從平衡位置位移,會感受到一個恢復力F正比於位移x,並遵守虎克定律: 其中k是一個正值常數。 如果F是系統僅受的力,則系統稱作簡諧振子(簡單和諧振子)。而其進行簡諧運動——正中央為平衡點的正弦或餘弦的振動,且振幅與頻率都是常數(頻率跟振幅無關)。 若同時存在一摩擦力正比於速度,則會存在阻尼現象,稱這諧振子為阻尼振子。在這樣的情形,振動頻率小於無阻尼情形,且振幅隨著時間減小。 若同時存在跟時間相關的外力,諧振子則稱作是受驅振子。 力學上的例子包括了單擺(限於小角度位移之近似)、連接到彈簧的質量體,以及聲學系統。其他的相類系統包括了電學諧振子(electrical harmonic oscillator,參見RLC電路)。.

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能级

能级(Energy level)理论是一种解释原子核外电子运动轨道的一种理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动,各个轨道上的电子具有分立的能量,这些能量值即为能级。电子可以在不同的轨道间发生跃迁,电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃迁到低能级从而辐射出光子。氢原子的能级可以由它的光谱显示出来。.

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能量

在物理學中,能量(古希臘語中 ἐνέργεια energeia 意指「活動、操作」)是一個間接觀察到的物理量。它往往被視為某一個物理系統對其他的物理系統做功的能力。由於功被定義為力作用一段距離,因此能量總是等同於沿著一定的長度阻擋某作用力的能力。 一個物體所含的總能量奠基於其質量,能量如同質量一般,不會無中生有或無故消失。能量就像質量一樣,是一個純量。在國際單位制(SI)中,能量的單位是焦耳,但是在有些領域中會習慣使用其他單位如千瓦·時和千卡,這些也是功的單位。 A系統可以藉由簡單的物質轉移將能量傳輸到B系統(因為物質的質量等效於能量)。然而,如果能量不是藉由物質轉移而傳輸能量,而是由其他方法轉移能量,將會使B系統產生變化,因為A系統對B系統作了功。這功表現的效果如同於一個力沿一定的距離作用在接收能量的系統裡。舉例來說,A系統可以藉由轉移(輻射)電磁能量到B系統,而這會在吸收輻射能量的粒子上產生力。同樣的,一個系統可能藉由碰撞轉移能量,而這種情況下被碰撞的物體會在一段距離內受力並獲得運動的能量,稱為動能。熱可以藉由輻射能轉移,或者直接藉由系統間粒子的碰撞而以微觀粒子之動能的形式傳遞。 能量可以不表現為物質、動能或是電磁能的方式儲存在一個系統中。當粒子在與其有交互作用的力場中受外力移動一段距離,此粒子移動到這個場的新位置所需的能量便如此的被儲存了。當然粒子必須藉由外力才能保持在新位置上,否則其所處在的場會藉由釋放儲存能量的方式,讓粒子回到原來的狀態。這種藉由粒子在力場中改變位置而儲存的能量就稱為位能。一個簡單的例子就是在重力場中往上提升一個物體到某一高度所需要做的功就是位能。 任何形式的能量可以轉換成另一種形式。舉例來說,當物體在力場中,因力場作用而移動時,位能可以轉化成動能。當能量是屬於非熱能的形式時,它轉化成其他種類能量的效率可以很高甚至達百分之百,如沿光滑斜面下滑的物體,或者新物質粒子的產生。然而如果以熱能的形式存在,則在轉換成另一種型態時,就如同熱力學第二定律所描述的,總會有轉換效率的限制。 在所有能量轉換的過程中,總能量保持不變,原因在於總系統的能量是在各系統間做轉移,當某個系統損失能量,必定會有另一個系統得到這損失的能量,導致失去和獲得達成平衡,所以總能量不改變。這個能量守恆定律,是十九世紀初時提出,並應用於任何一個孤立系統。(其後雖有質能轉換方程式的發現,但根據該方程式,亦可以把質量視為能量的另一存在形式,所以此定律可說依舊成立)根據諾特定理,能量守恆是由於物理定律不會隨時間改變而得到的自然結果。 雖然一個系統的總能量,不會隨著時間改變,但其能量的值,可能會因為參考系而有所不同。例如一個坐在飛機裡的乘客,相對於飛機其動能為零;但是相對於地球來說,動能卻不為零。.

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薛定谔方程

在量子力學中,薛定諤方程(Schrödinger equation)是描述物理系統的量子態怎樣隨時間演化的偏微分方程,为量子力學的基礎方程之一,其以發表者奧地利物理學家埃尔温·薛定諤而命名。關於量子態與薛定諤方程的概念涵蓋於基礎量子力學假說裏,無法從其它任何原理推導而出。 在古典力學裏,人们使用牛頓第二定律描述物體運動。而在量子力學裏,類似的運動方程為薛定諤方程。薛定諤方程的解完備地描述物理系統裏,微觀尺寸粒子的量子行為;這包括分子系統、原子系統、亞原子系統;另外,薛定諤方程的解還可完備地描述宏觀系統,可能乃至整個宇宙。 薛定諤方程可以分為「含時薛定諤方程」與「不含時薛定諤方程」兩種。含時薛定諤方程與時間有關,描述量子系統的波函數怎樣隨著時間而演化。不含時薛定諤方程则與時間無關,描述了定態量子系統的物理性質;該方程的解就是定態量子系統的波函數。量子事件發生的機率可以用波函數來計算,其機率幅的絕對值平方就是量子事件發生的機率密度。 薛定諤方程所屬的波動力學可以數學變換為維爾納·海森堡的矩陣力學,或理察·費曼的路徑積分表述。薛定諤方程是個非相對論性方程,不適用於相對論性理論;對於相對論性微觀系統,必須改使用狄拉克方程或克莱因-戈尔登方程等。.

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量子力学

量子力学(quantum mechanics)是物理學的分支,主要描写微观的事物,与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱,许多物理学理论和科学,如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的學科,都是以其为基础。 19世紀末,人們發現舊有的經典理論無法解釋微观系统,於是經由物理學家的努力,在20世紀初創立量子力学,解釋了這些現象。量子力學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解。除透过广义相对论描写的引力外,迄今所有基本相互作用均可以在量子力学的框架内描述(量子场论)。 愛因斯坦可能是在科學文獻中最先給出術語「量子力學」的物理學者。.

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自由粒子

在物理學裏,自由粒子是不被位勢束縛的粒子。在經典力學裏,一個自由粒子所感受到外來的淨力是0。 假若,一個粒子的能量大於在任何地點x\,\!的位勢,E > V(x) \,\!,不會被位勢束縛,則稱此粒子為自由粒子。更強版的定義,還要求位勢為常數V(x).

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連心力

在物理學裏,作用力可以分類為連心力(central force)與非連心力。連心力的方向永遠指向一個固定點;稱此點為力中心點。許多宇宙最基本的力,像萬有引力、靜電力,都是連心力。而勞侖茲力的磁力部分則乃非連心力。連心力以方程式表達為 其中,\mathbf是連心力,\mathbf是從力中心點到檢驗位置的徑向向量。 連心力可以進一步細分為兩種版本:強版本和弱版本。強版連心力要求連心力跟徑向距離有關: 弱版連心力沒有這嚴厲的條件。在物理學裏,大多數重要的連心力都是強版連心力;簡單擺的繩索作用於擺錘的拉力是一種弱版連心力,這拉力的方向是徑向方向,但對於小角度擺動,拉力的大小可以近似為一個常量,是擺錘感受到的重力大小。.

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歸一條件

在量子力學裏,表達粒子的量子態的波函數必須滿足歸一條件(歸一化,be normalized),也就是說,在空間內,找到粒子的機率必須等於 1 。這性質稱為歸一性。用數學公式表達, 其中,x 是粒子的位置,\psi(x) 是波函數。.

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本徵函數

在数学中,函数空间上定义的线性算子 A 的本征函数(Eigenfunction,又稱--)就是对该空间中任意一个非零函数 f 进行变换仍然是函数 f 或者其标量倍数的函数。更加精确的描述就是 \mathcal A f.

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有限位勢壘

在量子力學裏,有限位勢壘是一種位勢。在壘外,位勢為 0 ,在壘內,位勢為有限值 。有限位勢壘問題專門研討在這種位勢的作用中,一個粒子的量子行為。如圖右,最簡單的有限位勢壘是方形壘,壘高是一個常數。在這條目裏,只研討這種位勢壘。 通常,在經典力學裏,一維的有限位勢壘問題會設定一個粒子,從位勢壘的左邊,往位勢壘移動。假若,粒子的能量大於位勢壘的位勢。則這粒子,在經過位勢壘的時候,因為動能的轉換為位能,速度會降低,但方向不會改變。當移動至位勢壘外時,速度又會回復至原本值。假若,粒子的能量小於位勢壘的位勢,則在與位勢壘彈性碰撞之後,這粒子會改變方向,以同樣的速率,往回移動。粒子絕對無法存在於位勢壘內或越過位勢壘。 在量子力學裏,粒子的量子行為,是取決於其波函數。由於粒子沒有被有限位勢壘束縛,粒子的能量不是離散能量譜的特殊容許值,而是大於 0 的任意值,因此不需要求算粒子的能量。在這裏,主要研究的是粒子的一維散射 。這是一個很有意思的領域。假若,粒子的能量大於位勢壘的位勢。由於往位勢壘傳播的波函數,並不是完全地透射過位勢壘,仍舊有一部分反射回來。所以,反射的機率幅大於 0 ,粒子被反射回來的機率大於 0 。假若,粒子的能量小於位勢壘的位勢,雖然波函數會呈指數地遞減,在位勢壘內,機率幅仍舊大於 0 。所以,這粒子存在於位勢壘內的機率大於 0。不止這樣,機率幅在位勢壘外的另一邊也大於 0 。假若,位勢壘的位勢並不大大的超過粒子的能量,位勢壘的壘寬也並不很寬,則粒子穿越位勢壘的機率會是很顯著的,稱這效應為量子穿隧效應。透射的可能性,稱為透射係數;反射的可能性,則稱為反射係數。.

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有限深方形阱

在量子力學裏,有限深方形阱,又稱為有限深位勢阱,是無限深方形阱的延伸。有限深方形阱是一個阱內位勢為0,阱外位勢為有限值的位勢阱。關於一個或多個粒子,在這種位勢作用中的量子行為的問題,稱為有限深位勢阱問題。與無限深方形阱問題不同的是,在阱外找到粒子的機率大於0。 在經典力學裏,假若,粒子的能量小於阱壁的位勢,則粒子只能移動於阱內,無法存在於阱外。截然不同地,在量子力學裏,雖然粒子的能量小於阱壁的位勢,在阱外找到粒子的機率大於0。.

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球對稱位勢和量子諧振子之间的比较

球對稱位勢有50个关系,而量子諧振子有48个。由于它们的共同之处16,杰卡德指数为16.33% = 16 / (50 + 48)。

参考

本文介绍球對稱位勢和量子諧振子之间的关系。要访问该信息提取每篇文章,请访问:

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