Шрифт:
Фиг. 6.I. Два равноценных геометрических расположения молекулы аммиака.
Эта молекула, как и всякая другая, обладает бесконечным количеством состояний. Она может вращаться вокруг какой угодно оси; двигаться в любом направлении, вибрировать и т. д. и т. п. Значит, это вовсе не система с двумя состояниями. Но мы сделаем следующее приближение: предположим, что все прочие степени свободы закреплены и не связаны с теми, которые нас сейчас интересуют. Будем считать, что молекула может только вращаться вокруг оси симметрии (как показано на рисунке), что импульс ее переносного движения равен нулю и что ее колебания очень слабы. Это фиксирует все условия, кроме одного: для, атома азота все еще существуют два возможных положения — он может оказаться по одну сторону плоскости атомов водорода, а может оказаться и по другую (фиг. 6.1). Так что мы будем рассуждать о молекуле, как если бы она была системой с двумя состояниями. Под этим подразумевается, что существуют только два состояния, о которых реально следует заботиться, все же прочее предполагается зафиксированным. Как видите, если даже известно, что молекула вращается вокруг оси с определенным моментом количества движения и что она движется с определенным импульсом и колеблется определенным образом, то все равно еще остаются два Допустимых состояния. Будем говорить, что молекула находится в состоянии |1>, когда азот «вверху» (фиг. 6.1, а) и в состоянии |2>, когда азот «внизу» (фиг. 6.1, б). Состояния |1> и |2> в нашем анализе поведения молекулы аммиака можно принять за совокупность базисных состояний В каждый момент истинное состояние |y> молекулы может быть представлено заданием C1=<1|y> — амплитуды пребывания в состоянии \1 и С2=<2|y> — амплитуды пребывания в состоянии |2>. Тогда, используя (6.8), вектор состояния |y> можно записать так:
Но вот что интересно: если известно, что молекула в определенный момент была в определенном состоянии, то в следующий момент она может уже не быть в том же состоянии. Два С– коэффициента меняются со временем в соответствии с уравнениями (6.43), которые верны для любой системы с двумя состояниями. Предположим, к примеру, что вы сделали какое-то наблюдение (или как-то отобрали молекулы), так что знаете, что первоначально молекула находилась в состоянии |1>. Чуть позже уже появляются некоторые шансы засечь ее в состоянии |2>. Чтобы узнать, сколь велики эти шансы, нужно решить дифференциальное уравнение, которое говорит, как амплитуды меняются со временем.
Единственная трудность в том, что мы не знаем, что ставить вместо коэффициентов Нijв (6.43). Но кое-что мы все же можем сказать. Предположим, что, если уж молекула оказалась в состоянии \1 >, тогда у нее не будет никакого шанса когда-либо попасть в состояние |2>, И наоборот. Тогда H12 и H21 будут оба равны нулю, и (6.43) примет вид
Эти уравнения легко решить; получается
Это просто амплитуды стационарных состояний с энергиями E1=H11и E2=H22. Еще мы знаем, что у молекулы аммиака состояния |1>и |2>обладают определенной симметрией. Если природа ведет себя более или менее разумно, то матричные элементы Н11и H22должны равняться друг другу. Мы обозначим их через Е0, потому что они соответствуют энергии, которой обладали бы состояния, будь H12 и H21 равны нулю.
Но (6.45) не отражает того, что на самом деле бывает с аммиаком. Оказывается, что аммиак имеет возможность протолкнуть свой азот мимо трех водородов и перебросить его по ту сторону. Это очень трудно: чтобы азоту пройти полпути, нужна немалая энергия. Как же он может пройти на другую сторону, если он не располагает достаточной энергией? Просто имеется некоторая амплитуда того, что он проникнет сквозь энергетический барьер. В квантовой механике разрешается быстро проскакивать через энергетически нелегальную область. Стало быть, существует небольшая амплитуда того, что молекула, начав с состояния |1>, перейдет в состояние |2>. Коэффициенты Н12и Н21на самом деле не равны нулю. И опять из симметрии ясно, что они должны быть одинаковы, по крайней мере по величине. И действительно, мы уже знаем, что вообще Нijравняется комплексно сопряженной величине Нji, т. е, они могут отличаться только фазой. Оказывается, как вы потом увидите, что без потери общности можно положить эти коэффициенты равными друг другу. Позднее нам будет удобнее считать их равными отрицательному числу; мы примем поэтому H12=H21=-А. Тогда получится следующая пара уравнений:
Эти уравнения достаточно просты и могут быть решены разным путем. Удобно решать их так. Складывая их, получаем
с решением
Вычитая затем (6.47) из (6.46), получаем
что дает
Две постоянные интегрирования мы обозначили а и b; их надо выбрать так, чтобы получились подходящие начальные условия данной физической задачи. Наконец, складывая и вычитая (6.48) и (6.49), получаем C1и С2:
Они отличаются только знаком при втором слагаемом.
Решения-то мы получили, но что они значат? (В квантовой механике трудность не только в том, чтобы получить решения но и в том, чтобы разобраться в их смысле!) Заметьте, что при b=0оба решения обладают одинаковой частотой w=(E0– A)/h Если все меняется с одной частотой, это значит, что система пребывает в состоянии с определенной энергией, в данном случае с энергией (Е0– А). Значит, существует стационарное состояние с такой энергией; в нем обе амплитуды С1и C2равны друг другу. Мы приходим к выводу, что молекула аммиака обладает определенной энергией (Е0– А), если для атома азота одинакова амплитуда оказаться «вверху» и «внизу».
Имеется другое допустимое стационарное состояние, когда а=0; тогда обе амплитуды обладают частотой (E0+A)/h. Значит, имеется другое состояние с определенной энергией (Е0+А), когда две амплитуды равны, но отличаются знаком: C2=-C1. Вот и все состояния с определенной энергией. В следующей главе мы поговорим о состояниях молекулы аммиака подробнее; здесь же мы отметим еще только некоторые особенности.