Giao diện
41.2. Hạt trong hộp thế ba chiều
Xét một hạt khối lượng

Tương tự như mô hình giếng thế sâu vô hạn một chiều, thế năng của hạt triệt tiêu ở bên trong hộp và tiến tới vô hạn ở bên ngoài hộp. Đặt
Để số hạng
Bên trong hộp thế, thế năng
Để liên tục tại các bề mặt biên của hộp, hàm sóng
Phương pháp tách biến
Để giải phương trình ba chiều (41.7), chúng ta áp dụng phương pháp tách biến. Tương tự như việc phân tách biến thời gian và biến không gian ở phương trình (41.4), chúng ta giả thiết không gian
Thay biểu thức tích (41.8) vào phương trình vi phân (41.7):
Vì tác động lên tích ba hàm đơn biến cho
với các số hạng phân li
Điều kiện biên
Từ phương trình (41.10), mối liên hệ giữa các hằng số phân tách và năng lượng toàn phần là:
Hệ thức (41.12) hoàn toàn tương ứng với biểu thức động năng phi tương đối tính (41.1) theo ba thành phần động lượng. Vì thế năng bên trong hộp bằng không, năng lượng toàn phần của hạt hoàn toàn là động năng, và các hằng số
Hàm sóng dừng và các số lượng tử
Phương pháp tách biến đã biến đổi một phương trình vi phân phức tạp với ba biến độc lập thành ba phương trình vi phân thường độc lập, mỗi phương trình chỉ chứa một biến duy nhất. Mỗi phương trình vi phân thường trong hệ (41.11) có dạng toán học giống hệt của một thế một chiều với cùng điều kiện biên tại
Trong đó
Nếu như bài toán hộp thế một chiều chỉ xuất hiện duy nhất một số lượng tử
với
Các nghiệm ở phương trình (41.15) tương tự sóng điện từ đứng trong một hốc cộng hưởng hình hộp, chẳng hạn khoang lò vi sóng. Các nút sóng tạo những vùng nhận ít năng lượng. Đĩa quay đưa thực phẩm qua nhiều vị trí để việc làm nóng đều hơn. Tương tự, trong hộp có các mặt nút, tại đó mật độ xác suất bằng không.
Chẳng hạn, xét trạng thái có bộ số lượng tử
Vì

Chú thích:
- |ψ|² = 0 trên mặt phẳng x = L/2 (|ψ|² = 0 on plane x = L/2)
- |ψ|² = 0 trên mặt phẳng y = L/2 (|ψ|² = 0 on plane y = L/2)
- |ψ|² = 0 trên mặt phẳng z = L/2 (|ψ|² = 0 on plane z = L/2)
Khi các số lượng tử
Ví dụ 41.1: Tính toán xác suất trong hộp thế ba chiều
Xét một hạt chuyển động trong hộp thế hình lập phương có cạnh bằng
(a) Xác định giá trị của hằng số
(b) Tính xác suất tìm thấy hạt trong phần tư thể tích hộp

Phương pháp giải
Để chuẩn hóa ở câu (a), chúng ta vận dụng điều kiện chuẩn hóa (41.6): của mật độ xác suất
Lời giải chi tiết
(a) Từ biểu thức (41.15), mật độ xác suất là:
với
Áp dụng công thức hạ bậc
theo biến
(b) Tính xác suất
Kết hợp các kết quả trên, xác suất toàn phần tìm thấy hạt trong miền
Xác suất này chỉ phụ thuộc vào số lượng tử
- Trường hợp (i) với
:
- Trường hợp (ii) với
:
- Trường hợp (iii) với
:
Đánh giá kết quả
Sự khác biệt về xác suất trong ba trường hợp có nguồn gốc trực tiếp từ đồ thị hàm
Mức năng lượng, độ suy biến và tính đối xứng
Từ hệ thức (41.12) và các thành phần năng lượng (41.14), mức năng lượng cho phép của một hạt khối lượng
với

Trạng thái có năng lượng thấp nhất (trạng thái cơ bản) ứng với bộ ba số lượng tử
Quan sát giản đồ Hình 41.04, phần lớn các mức năng lượng tương ứng với nhiều bộ ba số lượng tử
Trong hộp thế một chiều, mỗi mức năng lượng chỉ ứng với duy nhất một trạng thái sóng dừng, hoàn toàn không có hiện tượng suy biến. Ngược lại, trong hộp thế ba chiều hình lập phương:
- Trạng thái cơ bản
: Chỉ có một trạng thái duy nhất , bằng 1 (không suy biến). - Mức kích thích thứ nhất
: Gồm ba trạng thái phân biệt , , và , bằng 3. - Mức kích thích thứ hai
: Gồm ba trạng thái phân biệt , , và , bằng 3. - Mức kích thích thứ ba
: Gồm ba trạng thái phân biệt , , và , bằng 3. - Mức kích thích thứ tư
: Ứng với bộ số , bằng 1. - Mức kích thích thứ năm
: Ứng với tổng các bình phương bằng , gồm 6 hoán vị khác nhau của bộ ba : , , , , , và , bằng 6.
Ba trạng thái này có cùng năng lượng vì tính đối xứng của hộp lập phương. Phép quay hộp thích hợp một góc
Vì sự suy biến bắt nguồn từ tính đối xứng, chúng ta có thể phá vỡ tính đối xứng để khử suy biến. Xét trường hợp hộp thế hình hộp chữ nhật bất đối xứng có ba kích thước cạnh khác nhau là
với
Tổng kết lại các điểm khác biệt cốt lõi giữa bài toán lượng tử một chiều và ba chiều:
- Các nghiệm tách biến đang xét là tích của ba hàm, mỗi hàm phụ thuộc một tọa độ. Bài toán một chiều chỉ cần một hàm theo
. Tổ hợp tuyến tính các nghiệm cùng năng lượng vẫn có thể là trạng thái dừng, dù không nhất thiết có dạng một tích. - Cần ba số lượng tử
để mô tả trọn vẹn mỗi trạng thái dừng ba chiều, trong khi bài toán một chiều chỉ cần một số lượng tử . - Phần lớn các mức năng lượng ba chiều đều bị suy biến do tính đối xứng hình học, trong khi bài toán hộp thế một chiều không có sự suy biến.
- Trong các nghiệm ba chiều đang xét, triệt tiêu trên những mặt nút. Trong hộp một chiều, các nút là những điểm riêng lẻ trên trục tọa độ. Hàm sóng vẫn liên tục tại các nút.
Câu tự kiểm tra 41.2
Sắp xếp các trạng thái lượng tử sau đây của một thế lập phương cạnh
- (i)
- (ii)
- (iii)
- (iv)
Lời giải chi tiết
Đáp án: Thứ tự sắp xếp từ năng lượng cao nhất đến thấp nhất là (iv), (ii), (i) và (iii) đồng hạng.
Theo phương trình (41.16), mức năng lượng của lập phương tỷ lệ thuận với tổng bình phương của ba số lượng tử:
- Trạng thái (i):
. - Trạng thái (ii):
. - Trạng thái (iii):
. - Trạng thái (iv):
.
So sánh các giá trị tính được:
Tài liệu tham khảo
Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 41.2, trang 1362–1367.