Φυσική Θετικών Σπουδών & Σπουδών Υγείας Γ΄ τάξη Γενικού Λυκείου (ΤΕΥΧΟΣ Γ΄)
 
7-7 ΚΥΜΑΤΟΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΚΑΙ
ΕΞΙΣΩΣΗ SCHRÖDINGER (ΣΡΕΝΤΙΝΓΚΕΡ)

Είδαμε ότι ένα υποατομικό σωματίδιο, για παράδειγμα ένα ηλεκτρόνιο, δε μπορεί να περιγραφεί σαν υλικό σημείο, με τρεις συντεταγμένες στο χώρο. Υπό ορισμένες συνθήκες συμπεριφέρεται σαν κύμα. Για την περιγραφή του χρειαζόμαστε μία κυματοσυνάρτηση σε αναλογία με την εξίσωση κύματος που χρησιμοποιούμε για την περιγραφή ενός μηχανικού ή ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Την κυματοσυνάρτηση αυτή θα τη συμβολίζουμε με Ψ .

Η κυματοσυνάρτηση είναι μία συνάρτηση της θέσης και του χρόνου Ψ = Ψ(x,y.z,t).

Στα μηχανικά κύματα η εξίσωση κύματος μάς δίνει για κάθε χρονική στιγμή τη θέση κάθε σημείου του υλικού μέσου στο οποίο διαδίδεται το κύμα. Στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα οι εξισώσεις κύματος που τα περιγράφουν μας δίνουν για κάθε χρονική στιγμή την τιμή της έντασης του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου σε κάθε σημείο του χώρου στον οποίο διαδίδεται το κύμα. Η κυματοσυνάρτηση Ψ όμως που περιγράφει ένα σωματίδιο-κύμα δεν σχετίζεται με κάποιο μέσον διάδοσης ούτε με κάποιες ιδιότητες του χώρου. Είναι δύσκολο να της αποδώσουμε κάποια φυσική σημασία. Μπορούμε μόνο να περιγράψουμε πώς σχετίζεται με τα φυσικά παρατηρούμενα φαινόμενα.

Για κάποιο συγκεκριμένο σημείο, ορισμένη χρονική στιγμή η κυματοσυνάρτηση θα έχει μια συγκεκριμένη τιμή. Ο Max Born πρότεινε να ερμηνεύσουμε το τετράγωνο του μέτρου της κυματοσυνάρτησης σαν την πιθανότητα θέσης ανά μονάδα όγκου. Δηλαδή, αν ορίσουμε έναν στοιχειώδη όγκο dV γύρω από ένα συγκεκριμένο σημείο (x,y,z) το γινόμενο |Ψ|2dV δίνει την πιθανότητα να βρίσκεται το σωμάτιο μέσα στον όγκο dV στη δεδομένη χρονική στιγμή.

Αν χωρίσουμε το σύνολο του χώρου σε στοιχειώδεις όγκους dV και σε κάθε σημείο του χώρου βρούμε την τιμή της Ψ για κάποια χρονική στιγμή το άθροισμα των |Ψ|2dV πρέπει να είναι ίσο με τη μονάδα.

 

 |Ψ|2dV = 1

 

Δηλαδή η πιθανότητα να βρίσκεται το σωματίδιο κάπου στο χώρο είναι ίση με τη μονάδα. Με απλά λόγια κάθε χρονική στιγμή το σωματίδιο σίγουρα βρίσκεται κάπου. Η παραπάνω σχέση προκύπτει από την διάσταση που έδωσε ο Born στο |Ψ|2 και ονομάζεται συνθήκη κανονικοποιήσεως. Εάν η κυματοσυνάρτηση είναι σωστή πρέπει να ικανοποιεί τη συνθήκη κανονικοποιήσεως.

Πώς βρίσκουμε όμως μία κυματοσυνάρτηση;

Την απάντηση έδωσε ο Erwin Schrödinger διατυπώνοντας την περιφημη εξίσωσή του της οποίας λύση είναι η Ψ .                                                         

Για ένα σωματίδιο που κινείται πάνω στον άξονα των χ σε μία περιοχή όπου υπάρχει ένα συντηρητικό πεδίο, για κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή η εξίσωση Schrödinger έχει τη μορφή :

Εικόνα                        (7.6)

ħ                     (διαβάζεται h-bar) η συντομογραφία του h/2π,

m                        η μάζα ηρεμίας του σωματιδίου,

Εικόνα        η δεύτερη παράγωγος της κυματοσυνάρτησης ως προς x,

U(x)                η δυναμική ενέργεια του σωματιδίου λόγω της θέσης του,

E                     η ολική ενέργεια του σωματιδίου.

Η λύση της εξίσωσης αυτής είναι η κυματοσυνάρτηση του σωματιδίου.


Εικ. 7.7 Max Born. (1882- 1970). Γερμανία. Μεγάλος θεωρητικός φυσικός. Χρησιμοποίησε τις πιθανότητες για να ερμηνεύσει φαινόμενα της κβαντικής μηχανικής. Το 1933 εγκατέλειψε τη Γερμανία αρχικά για το Εδιμβούργο και στη συνέχεια για τις Ηνωμένες Πολιτείες. Νόμπελ 1954.
Εικ. 7.7 Max Born. (1882- 1970). Γερμανία. Μεγάλος θεωρητικός φυσικός. Χρησιμοποίησε τις πιθανότητες για να ερμηνεύσει φαινόμενα της κβαντικής μηχανικής. Το 1933 εγκατέλειψε τη Γερμανία αρχικά για το Εδιμβούργο και στη συνέχεια για τις Ηνωμένες Πολιτείες. Νόμπελ 1954.


Εικ. 7.8 Erwin Schrodinger (1877-1961). Γεννήθηκε στη Βιέννη  από Αυστριακό πατέρα και Αγγλίδα μητέρα. Καλλιεργημένη και καλλιτεχνική φύση  είχε το ταλέντο να παρουσιάζει τις απόψεις του με γοητευτικό τρόπο. Δίδαξε στη  Ζυρίχη, όπου διατύπωσε και την περίφημη εξίσωσή του, στο Βερολίνο, στην Οξφόρδη  και στο Δουβλίνο. Στο τέλος της ζωής του επέστρεψε στη Βιέννη. Μοιράστηκε με  τον Ρ.Α.Μ. Dirac το Νόμπελ Φυσικής το 1933.
Εικ. 7.8 Erwin Schrödinger (1877-1961). Γεννήθηκε στη Βιέννη από Αυστριακό πατέρα και Αγγλίδα μητέρα. Καλλιεργημένη και καλλιτεχνική φύση είχε το ταλέντο να παρουσιάζει τις απόψεις του με γοητευτικό τρόπο. Δίδαξε στη Ζυρίχη, όπου διατύπωσε και την περίφημη εξίσωσή του, στο Βερολίνο, στην Οξφόρδη και στο Δουβλίνο. Στο τέλος της ζωής του επέστρεψε στη Βιέννη. Μοιράστηκε με τον Ρ.Α.Μ. Dirac το Νόμπελ Φυσικής το 1933.
 

Εφόσον το σωματίδιο είναι περιορισμένο να κινείται πάνω στον άξονα των x η κυματοσυνάρτησή του πρέπει να ικανοποιεί τη συνθήκη  |Ψ|2dx =1 δηλαδή το σωμάτιο σίγουρα βρίσκεται κάπου στον άξονα των x.