これは境界条件という物理的な要請と数学の手続きがうまく溶け合った局面だと言えます。どういうことかというと、数学的には微分方程式の解には、任意の積分定数が現れるため、無数の解が存在することになります。しかし、境界条件の存在によって、物理的に意味のある解が制限されます。その結果、限られた波動関数のみが境界面での連続の条件を満たす事ができ、その関数に対応するエネルギーのみが系のとりうるエネルギーとして許容されるというのです。 これは原子軌道を考えるときでも同様です。例えば球対象な s 軌道では原子核付近で電子の存在確率はゼロでなくていいものの、原子核から無限遠にはなれたときには、さすがに電子の存在確率がゼロのはずであると予想できます。つまり、無限遠で Ψ = 0 が境界条件として存在するのです。 2つ前の質問の「波動関数の節」とはなんですか? 波動関数の値がゼロになる点や領域 を指します。物理的には、粒子の存在確率がゼロになる領域を意味します。 井戸型ポテンシャルの系の波動関数の節. 今回の井戸型ポテンシャルの例で、粒子のエネルギーが上がるにつれて、対応する波動関数の節が増えることをみました。この結果は、井戸型ポテンシャルに限らず、原子軌道や分子軌道にも当てはまる一般的な規則になります。原子の軌道である1s 軌道には節がありませんが、2s 軌道には節が 1 つあり 3s 軌道になると節が 2 つになります。また、共役ポリエンの π 軌道においても、分子軌道のエネルギー準位が上がるにつれて節が増えます。このように粒子のエネルギーが上がるにつれて節が増えることは、 エネルギーが上がるにつれて、波動関数の曲率がきつくなるため、波動関数が横軸を余計に横切ったあとに境界条件を満たさなければならない ことを意味するのです。 (左) 水素型原子の 1s, 2s, 3s 軌道の動径波動関数 (左上) と動径分布関数(左下). 動径分布関数は, 核からの距離 r ~ r+dr の微小な殻で電子を見出す確率を表しています. 半径が小さいと殻の体積が小さいので, 核付近において波動関数自体は大きくても, 動径分布関数自体はゼロになっています. (右) 1, 3-ブタジエンの π軌道. 井戸型ポテンシャルとの対応をオレンジの点線で示しています. 【中3数学】2乗に比例する関数ってどんなやつ？ | Qikeru：学びを楽しくわかりやすく. もし井戸の幅が広くなった場合、シュレディンガー方程式の解はどのように変わりますか?
まず式の見方を少し変えるために、このシュレディンガー方程式を式変形して左辺を x に関する二階微分だけにしてみます。 この式の読み方も本質的には先ほどと変わりません。この式は次のように読むことができます。 波動関数 を 2 階微分すると、波動関数 Ψ の形そのものは変わらずに、係数 E におまじないの係数をかけたもの飛び出てきた。その関数 Ψ と E はなーんだ? ここで立ち止まって考えます。波動関数の 2 階微分は何を表すのでしょうか。関数の微分は、その曲線の接線の傾きを表すので、 2 階微分 (微分の微分) は傾きの傾き に相当します。数学の用語を用いると、曲率です。 高校数学の復習として関数の曲率についておさらいしましょう。下のグラフの上に凸な部分 (左半分)の傾きに注目します。グラフの左端では、グラフの傾きは右上がりでしたが、x が増加するにつれて次第に水平に近づき、やがては右下がりになっていることに気づきます。これは傾きが負に変化していることを意味します。つまり、上に凸なグラフにおいて傾きの傾き (曲率) はマイナスなわけです。同様の考え方を用いると、下に凸な曲線は、正の曲率を持っていることがわかります。ここまでの議論をまとめると、曲率が正であればグラフは下に凸になり、曲率が負であればグラフは上に凸になります。 関数の二階微分 (曲率) の意味. 二階微分 (曲率) が負のとき, グラフは上の凸の曲線を描き, グラフの二階微分 (曲率) が正の時グラフは下に凸の曲線を描きます. 二乗に比例する関数 利用. 関数の曲率とシュレディンガー方程式の解はどう関係しているのですか?
ここで懲りずに、さらにEを大きくするとどうなるのでしょうか。先ほど説明したように、波動関数が負の値を取る領域では、波動関数は下に凸を描きます。したがって、 Eをさらに大きくしてグラフのカーブをさらに鋭くしていくと、今度は波形一つ分の振動をへて、井戸の両端がつながります 。しかしそれ以上カーブがきつくなると、波動関数は正の値を取り、また井戸の両端はつながらなくなります。 一番目の解からさらにエネルギーを大きくしていった場合に, 次に見つかる物理的に意味のある解. 二乗に比例する関数 ジェットコースター. 同様の議論が続きます。波動関数が正の値をとると上にグラフは上に凸な曲線を描きます。したがって、Eが大きくなって、さらに曲線のカーブがきつくなると、あるとき井戸の両端がつながり、物理的に許される波動関数の解が見つかります。 二番目の解からさらにエネルギーを大きくしていった場合に, 次に見つかる物理的に意味のある解. 以上の結果を下の図にまとめました。下の図は、ある決まったエネルギーのときにのみ、対応する波動関数が存在することを意味しています。ちなみに、一番低いエネルギーとそれに対応する波動関数には 1 という添え字をつけ、その次に高いエネルギーとそれに対応する波動関数には 2 のような添え字をつけるのが慣習になっています。これらの添え字は量子数とよばれます。 ところで、このような単純で非現実的な系のシュレディンガー方程式を解いて、何がわかるんですか? 今回、シュレディンガー方程式を定性的に解いたことで、量子力学において重要な結果が2つ導かれました。1つ目は、粒子のエネルギーは、どんな値でも許されるわけではなく、とびとびの特定の値しか許されないということです。つまり、 量子力学の世界では、エネルギーは離散的 ということが導かれました。2つ目は粒子の エネルギーが上がるにつれて、対応する波動関数の節が増える ということです。順に詳しくお話ししましょう。 粒子のエネルギーがとびとびであることは何が不思議なんですか? ニュートン力学ではエネルギーが連続 であったことと対照的だからです。例えばニュートン力学の運動エネルギーは、1/2 mv 2 で表され、速度の違いによってどんな運動エネルギーも取れました。また、位置エネルギーを見ると V = mgh であるため、粒子を持ち上げればそれに正比例してポテンシャルエネルギーが上がりました。しかし、この例で見たように、量子力学では、粒子のエネルギーは連続的には変化できないのです。 古典力学と量子力学でのエネルギーの違い ではなぜ量子力学ではエネルギーがとびとびになってしまったのですか?
: シュレディンガー方程式と複素数 化学者だって数学するっつーの! : 定常状態と複素数 波動-粒子二重性 Wave_Particle Duality: で、波動性とか粒子性ってなに?
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