03.02 量子力學有限勢壘透射率如何理解?

Serena丶Du


根據經典力學,一個運動的粒子具有動能,粒子具有動能就能“翻越”一定高度的山峰,這個過程是動能轉換為勢能,然後又轉變為動能。

假設粒子的初始動能是K,那麼粒子最多能夠翻越勢能為V0=K的“山峰”,否則當粒子在山頂的時候,粒子的動能就是“負”的了,這是很荒唐的。

我們用量子力學考慮相同的物理過程,假設一個從左向右運動的粒子,初始動能是K,然後碰到一個勢壘,高度是V0,寬度是L。

在量子力學中,由於量子隧穿(Quantum tunnelling)效應的存在,粒子將有一定幾率穿過勢壘。假設粒子從左向右入射的幾率流是j,粒子碰到勢壘後將會有一定幾率被反射回來,反射的幾率流是j',最後還有一定的幾率流會穿過勢壘,假設是j",那麼粒子穿越勢壘的透射率就被定義為:T=j"/j。

以上是計算粒子穿越勢壘透射率的思路。

按照波動力學的思路,勢壘穿透問題可以分為三個區域,粒子從左向右入射,左側第一個區域(V=0,K>V)有入射波和反射波,波函數的形式是正弦/餘弦形的,中間勢壘(V=V0,KV)只有出射波,波函數是正弦/餘弦形的,然後我們要將這三個區域的波函數光滑地連接起來,就是最終勢壘穿透問題的解了。但要計算透射率,我們還需要計算粒子的幾率流。幾率流j的定義看起來比較複雜:如此定義的幾率流j滿足“連續性方程”:
這個式子的意思是:在空間某點選擇一個任意小的閉合球面,流入球面的幾率等於單位時間球面裡的幾率的增加。

在量子力學中,粒子具有波動的屬性,一個動量為p的粒子(或動能K為p^2/2m)可以看做是波長為λ=h/p的波動,因此我們可以把物質波的波長λ用粒子的動能K來表示:

換句話說動能為K的粒子可以被想象為波長為λ的波函數,波動的振幅對應粒子處在這種狀態的幾率。考慮波函數ψ1:

這個波函數由兩部分組成,第一項表示的是從左向右傳播的波函數,對應的是入射粒子,第二項表示的是從右向左傳播的波函數,對應的是反射粒子。

但假如粒子處在勢壘V0的區域,以上波函數的表達式就不成立了,考慮粒子此時仍然要符合薛定諤方程,

化簡可得如下微分方程:

考慮到勢壘V0比入射動能K大,以上微分方程的解ψ2是e指數衰減或e指數增長形式的,

換句話說波函數ψ在不同區域就有不同形式的解,當能量E>V的時候,波函數就是振盪形式(正弦/餘弦)的,能量E

粗略的說這個透射的幾率應正比于波函數ψ2絕對值的平方,因此透射率T:

量子力學的隧穿效應有很多物理應用,比較著名的有掃描隧道顯微鏡(STM)。

掃描隧道顯微鏡原理圖。

物理思維


這裡折射反射入社是指概率流(probability current) 當入射的電子是一個穩定beam而不是單個粒子的時候可以不考慮薛定諤的時間部分 這裡的概率是指單位時間內粒子的個數


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