2. Соотношения неопределённостей Гейзенберга

1. В основе соотношений неопределённостей лежит корпускулярно-волновая двойственность свойств частиц. Возможность задавать для частицы лишь вероятность пребывания в данной точке приводит к тому, что классические понятия координаты частицы, импульса могут применяться лишь в переделах, установленных соотношениями неопределённостей.

blank

blank.

В этих формулах blank характеризуют неопределённости в координатах частицы, а blank — пределы, в которых могут быть заключены проекции импульса частицы на оси. Чем точнее заданы координаты частицы, тем более неопределены компоненты её импульса.

2. Так как blank то уравнения, связывающие неопределенности координат и импульса, примут вид:

blank

blank

blank .

3. Аналогичное соотношение неопределённостей существует между энергией W и временем t. Если частица некоторое время blank находится в нестационарном (например, возбуждённом) состоянии, то энергия W этого состояния может быть определена лишь с точностью до величины blank. Неопределённость энергии blankсвязана со временем blank соотношением:

blank .

4. Шириной Г энергетического уровня называется неопределённость энергии квантовомеханической системы (атома, молекулы и др), обладающей дискретными уровнями энергии Wk в состоянии, которое не является строго стационарным. Например, если электрон в атоме находится в возбуждённом состоянии, то размытие уровня энергии и называется уширением уровня blank. Значение ширины уровня Г связано со средним временем t пребывания системы в возбуждённом состоянии соотношением неопределённостей:

blank .

Для строго стационарного состояния blank. Ширина уровня может быть и очень малой по сравнению с энергией уровня (например, для ядра при blank-распаде), и сравнимой со значениями расстояний между энергетическими уровнями (например, для возбуждённых ядер, испускающих нейтроны при квантовых переходах). Ширина уровня пропорциональна сумме вероятностей всех возможных переходов с этого уровня — и спонтанных , и вызванных различными следствиями.

5. Ширина энергетического уровня Г определяет ширину спектральной линии. Зависимость интенсивности I испускания или поглощения от частоты обычно имеет максимум при частоте перехода blankblank (рисунок 1), которая определяется соотношением:

blank,

где blank — энергии состояний, между которыми происходят переходы.

blank

Шириной (полушириной) спектральной линии называют интервал частот blank отсчитываемый по кривой зависимости интенсивности от частоты blank при значении интенсивности, равной половине максимальной интенсивности blank. Так как длина волны и частоты излучения связаны соотношением blank, то ширину спектральной можно характеризовать интервалом длин волн blank, учитывая, что:

blank.

Уширение отражает степень немонохроматичности спектральных линий и связано со временем жизни blank атомной системы в состояниях, характеризуемых квантовыми числами n и k.

blank,

где blank — естественная ширина спектральной линии. Для установления немонохроматичности blankограниченного цуга волн (атом излучает свет в виде отдельных импульсов — цугов волн) следует пользоваться соотношением неопределённостей в виде, отличном от формул (17-20).

blank,

где blank — длительность излучения, blank — ширина спектра.

Пространственная протяжённость blankцуга волн в вакууме задаётся соотношением:

blank,

где с = 3 × 108 м/с — скорость света в вакууме.

Чем короче цуг волн, тем шире его спектр, т.е., тем сильнее цуг отличается от монохроматической волны (сравните с волновым пакетом).

6. С помощью соотношений неопределённостей можно оценить минимальную энергию частицы в любом силовом поле U=U(r).Для этого необходимо записать полную энергию частицы в виде суммы кинетической и потенциальной:

blank.

Затем воспользоваться соотношением неопределённостей координаты и импульса. Для центрально-симметричного поля эту формулу можно переписать в виде blank. С учётом того, что частица квантовая, надо сделать приближения blank~ p, blank~ r, найти зависимость энергии частицы от координат:

blank

и исследовать эту функцию на экстремум, определив наименьшую возможную координату, а затем и минимальную энергию.

Если силовое поле симметрично относительно некоторой оси (например, blank), то следует неопределённость в координате полагать равной двойному значению координаты blank.

To top