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틀:학술

개요

훅의 법칙에 따르면 조화진동자는 다음 운동방정식

[math]\displaystyle{ F=-kx }[/math]

에 따르며, 이때 퍼텐셜에너지

[math]\displaystyle{ V=\frac{1}{2}kx^2 }[/math]

로 주어진다. 이때 각진동수를 ω라 하면

[math]\displaystyle{ \omega=\sqrt{\frac{k}{m}} }[/math]

이고 따라서

[math]\displaystyle{ V=\frac{1}{2}mw^2x^2 }[/math]

로 나타낼 수 있다.

양자 조화진동자는

1차원 진동자

양자 조화진동자(Quantum harmonic oscillator)는 시간에 무관한 슈뢰딩거 방정식

[math]\displaystyle{ -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2 \psi}{\partial x^2}+V\psi=E\psi }[/math]

에서

[math]\displaystyle{ V=\frac{1}{2}m\omega^2 x^2 }[/math]

로 주어진 미분방정식을 따르는 입자를 나타낸다. 즉, 양자 조화진동자를 나타내는 미분방정식은

[math]\displaystyle{ -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2 \psi}{\partial x^2}+\frac{1}{2}m\omega^2x^2\psi=E\psi }[/math]

이다.

해법

대수적 풀이

해밀토니안 연산자 H는 다음과 같이 주어진다.

[math]\displaystyle{ H=\frac{1}{2m}(p^2+m\omega x)^2 }[/math]

이때 p는 연산자로,

[math]\displaystyle{ p=-ih\frac{d}{dx} }[/math]

이다. 사다리 연산자(ladder operator)를 정의한다.

[math]\displaystyle{ a_+=\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}(-ip+m\omega x) }[/math]
[math]\displaystyle{ a_-=\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}(ip+m\omega x) }[/math]

이때 [math]\displaystyle{ a_+ }[/math]상승연산자(raising operator), [math]\displaystyle{ a_- }[/math]하강연산자(lowering operator)라고 한다.


해석적 풀이

[math]\displaystyle{ \psi_n(x)=\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{\frac{1}{4}}\frac{1}{\sqrt{2^nn!}}H_n\left(\sqrt{\frac{m\omega}{\hbar}}x\right)e^{-\frac{m\omega x^2}{2\hbar}} }[/math]

이때 [math]\displaystyle{ H_n(x) }[/math]에르미트 다항식이다.

에너지

[math]\displaystyle{ E_n=\hbar\omega\left(n+\frac{1}{2}\right) }[/math]

3차원 진동자

중심력에 의한 힘

[math]\displaystyle{ \mathbf{F}=-k\mathbf{r} }[/math]
[math]\displaystyle{ V=\frac{1}{2}m\omega^2 r^2 }[/math]

같이 보기