Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş · 2. Ünite: Schrödinger Dalga Denklemi ve Tek Boyutlu Problemler

Sonlu Potansiyel Kuyusu ve Basamak Potansiyeli

Gerçek potansiyeller sonsuz değildir: bir kuantum kuyusunun duvarı birkaç eV, bir çekirdeğin çekim kuyusu birkaç on MeV derinliktedir. Sonlu duvarlar iki yeni olgu getirir. Birincisi, bağlı durumlar (bound states) duvarın içine sızar ve sayıları sınırlıdır; enerjiler artık kapalı formülle değil, bir transandantal denklemin kökleriyle bulunur. İkincisi, kuyunun üstündeki enerjilerde parçacık bağlı değildir ve saçılma durumları (scattering states) ortaya çıkar: bir basamakla karşılaşan parçacık, klasik olarak tamamen geçeceği hâlde kısmen yansır. Bu konuda sonlu kuyunun çift ve tek çözümlerini kurar, bağlı durum sayısını ve sığ/derin limitleri türetir, basamakta yansıma ve geçme katsayılarını akımlardan hesaplar ve $R + T = 1$'in süreklilik denkleminden geldiğini gösterirsin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Duvarı Olan ama Sonsuz Olmayan Kuyular

  2. Sonlu Kuyuda Çözüm: Çift ve Tek Durumlar

  3. Bağlı Durum Sayısı, Derin ve Sığ Limitler

  4. Basamak Potansiyeli: Yansıma ve Geçme

  5. Çözümlü Örnekler

  6. Simülasyonla Bağlantı

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Sonlu kare kuyu
|x| < L/2'de V = 0, dışarıda V = V₀; 0 < E < V₀ aralığında sınırlı sayıda bağlı durum taşır.
Bağlı durum (bound state)
Sonsuzda sönen, normalize edilebilir durum; enerjisi kesikli değerler alır.
Saçılma durumu (scattering state)
Sonsuzda salınan, normalize edilemeyen durum; sürekli enerji, akım oranlarıyla (R, T) tarif edilir.
Transandantal denklem
Çift durumlar için z tan z = √(z₀² − z²), tek durumlar için −z cot z = √(z₀² − z²); kökler sayısal ya da grafikle bulunur.
z₀ parametresi
z₀ = (L/2)√(2mV₀)/ħ; kuyunun 'gücü'. Bağlı durum sayısı N = ⌈2z₀/π⌉.
Sızma uzunluğu (penetration depth)
δ = ħ/√(2m(V₀ − E)); klasik yasak bölgede ψ'nin e kat söndüğü mesafe.
Yansıma katsayısı R
Yansıyan ve gelen akımların oranı; basamakta E > V₀ için ((k₁ − k₂)/(k₁ + k₂))², E < V₀ için 1.
Geçme katsayısı T
Geçen ve gelen akımların oranı, T = (k₂/k₁)|t|²; basamakta 4k₁k₂/(k₁ + k₂)².
Akım korunumu
Durağan durumda ∂J/∂x = 0; her iki taraftaki akım eşittir ve R + T = 1.

Örnek soru

Aynı genişlikteki sonlu ($V_0$) ve sonsuz kuyuda bir elektronun $n$. bağlı durumunun enerjileri karşılaştırıldığında hangisi doğrudur?

  1. Sonlu kuyuda enerji daha yüksektir, çünkü duvarlar daha zayıftır
  2. İki enerji eşittir; yalnızca dalga fonksiyonları farklıdır
  3. Yalnızca en üst durum için sonlu kuyu enerjisi daha yüksektir
  4. Sonlu kuyuda enerji daha düşüktür, çünkü ψ duvara sızar ve etkin genişlik artar
  5. Hangisinin büyük olduğu parçacığın kütlesine bağlıdır

Doğru cevap: D

Çözüm

1. Sonlu kuyuda $\psi$ duvarda sıfır olmaz, $e^{-\kappa|x|}$ ile söner; dalga etkin olarak $L + 2\delta$ genişliğe yayılır.
2. Daha uzun dalga boyu, daha küçük $k$ ve daha düşük kinetik enerji demektir: $E_n < E_n^\infty$ her $n$ ve her kütle için.
3. Örnek: $L = 1$ nm, $V_0 = 5$ eV'da $E_1 = 0{,}272$ eV, $E_1^\infty = 0{,}376$ eV.
A sezgisel ama ters yöndedir: duvar "zayıfladıkça" hapsetme gevşer ve enerji düşer.

Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş: tüm konular