, (13)
где , (см. рис.).
С классической точки зрения прохождение частицы сквозь потенциальный барьер при невозможно, так как, находясь в области барьера, она обладала бы отрицательной кинетической энергией. Т.е. туннельный эффект является специфическим квантовым эффектом, не имеющий аналога в классической механике.
Гармонический осциллятор. Пружинный, физический и математический маятники являются примерами классических осцилляторов. Потенциальная энергия гармонического осциллятора определяется выражением
, (14)
где w – собственная частота колебаний осциллятора, m – масса частицы. Амплитуда колебаний классического осциллятора определяется его полной энергией E. Классическая частица совершает движение в пределах (, ).
Стационарные состояния квантового осциллятора определяются уравнением Шредингера
|
|
, (15)
где E – полная энергия осциллятора. Уравнение (15) имеет конечные и непрерывные решения при собственных значениях энергии
. (16)
Уровни энергии гармонического осциллятора являются равноотстоящими друг от друга. Наименьшее возможное значение энергии равно . Это значение называется энергией нулевых колебаний. Существование минимальной энергии является типичной для квантовых систем и представляет прямое следствие соотношения неопределенностей.
Квантовая механика позволяет вычислить вероятности переходов из одного состояния в другое. Вычисления показывают, что для гармонического осциллятора возможны лишь переходы между соседними уровнями. При таких переходах квантовое число n изменяется на единицу
. (17)
Условие (17) на возможные переходы называется правилом отбора. Таким образом, энергия гармонического осциллятора может изменяться только порциями .
Атом водорода. Рассмотрим систему, состоящую из неподвижного ядра с зарядом Ze и движущегося вокруг него электрона. При система представляет собой атом водорода, при – водородоподобный ион.