Решил я привести-таки конкретный пример результатов расчёта движения и туннелирования волнового пакета, выполненного по указанной в предыдущем сообщении схеме. Ну, просто на всякий случай; вдруг, начинающим изучать азы КМ будет интересно взглянуть.
Волновая функция в упоминавшейся задаче с потенциальным барьером, имеющимся при
рассчитывалась численно (с некоторыми приближениями, но в нюансы сейчас не вдаюсь) на промежутке
Длина барьера
выбрана в расчёте за единицу длины; величина
выбрана за единицу импульса, так что
- единица волнового вектора; величина
служит единицей энергии;
- единица времени: это время классического пролёта единицы длины со скоростью, соответствующей единице импульса.
В этих единицах высота потенциального барьера
(на шкале энергии) и значения параметров начальной волновой функции для формул, указанных в предыдущем сообщении, были для примера выбраны так:
центр распределения
волнового вектора:
параметр ширины этого распределения:
Считается, что источник посылает частицы к барьеру слева направо, в состоянии нормированного волнового пакета. Значению
соответствует скорость движения волнового пакета, равная двум единицам. Причём, к моменту времени
центр пакета прибыл бы в точку
если бы этому не препятствовал потенциальный барьер.
Значит, в момент времени
центр движущегося направо пакета находится ещё только в точке
Вот с этого момента и сделаны дальнейшие расчёты положения и формы волнового пакета с шагом по времени в 2 единицы, т.е. в 4 единицы по расстоянию вдоль оси
Вот картинки (
правда, не знаю, как долго они просуществуют; раньше не пользовался этим хостингом изображений, а того, которым я ещё совсем недавно пользовался, уже нет):
(Графики движущегося и туннелирующего волнового пакета)
Ниже на всех рисунках область с барьером выделена серым цветом.
Вот так выглядит квадрат модуля волновой функции, имеющей вид волнового пакета, - решения нестационарного у. Ш. в задаче с потенциальным барьером
- в тот момент времени, когда волновой пакет ещё только появляется в левой стороне промежутка
Через две единицы времени пакет продвинулся направо на четыре единицы длины:
Еще через две единицы времени пакет уже приблизился к барьеру и начал отражаться назад - на графике проявились первые признаки интерференции движущихся к барьеру и отражающихся от барьера волн, имеющихся в составе пакета:
Пакет пытается пройти через барьер, но большей частью отражается назад: интерференция видна уже "в полный рост". Пакет по-прежнему нормирован, т.е. площадь под этим графиком равна единице (приближённо в приближённом расчёте). Поскольку появились минимумы, а нормировка сохранилась прежняя, то увеличились значения квадрата модуля волновой функции в максимумах интерференционной картины; чтобы график полностью поместился, масштаб по вертикали здесь (и на следующем графике) изменён в два раза:
Продолжается отражение пакета от барьера; лишь малая часть проникла направо за барьер:
Отразившаяся часть пакета удаляется от барьера назад, налево, а проникшая сквозь барьер часть - направо; интерференция становится менее заметной, масштаб по вертикали восстановлен первоначальный:
Обе части продолжают двигаться в противоположных направлениях по разные стороны барьера, как два самостоятельных волновых пакета:
И так далее:
---------------------
Приведу ещё один рисунок - растянутый по горизонтали график для момента времени
когда пакет находился в области барьера. Здесь видно, что "сшивание" значений волновой функции, а также значений её производной, на границах барьера не испортилось - разрывов и изломов у графика нет:
--------------------
После того, как отразившийся налево и прошедший за барьер направо пакеты удалились друг от друга (перестали перекрываться на оси
можно вычислить вероятность отражения частицы как интеграл по
от отразившегося пакета - это площадь под его графиком.
И, аналогично, вероятность прохождения за барьер, т.е. вероятность туннелирования, - это площадь под графиком пакета, движущегося направо справа от барьера.
В данном конкретном примере ответы получились вот такие (в сумме единица, как и должно быть для вероятностей):
вероятность отражения: 0.808155
вероятность прохождения: 0.191845
Те же самые значения, 0.808155 и 0.191845, в этом примере получаются также просто как квадраты модуля амплитуд отражённой волны и прошедшей волны, имеющих определённый волновой вектор:
и
соответственно. Амплитуды определяются только упоминавшимися условиями "сшивания", без рассмотрения волновых пакетов. Таким образом, когда требуется лишь найти вероятности отражения и прохождения, а картина динамики во времени нестационарной волновой функции нас не интересует, то и нет необходимости выполнять громоздкие расчёты волновых пакетов.