물리학/양자역학2019. 5. 2. 08:00
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[양자역학] 2. 파동함수(2)



파동함수의 통계학적 해석에 의하면 파동함수의 절댓값의 제곱 |Ψ(x,t)|2은 시간 t일 때 위치 x에서 입자를 발견할 확률밀도이다. |Ψ|2가 확률밀도함수가 되기 위해서는 전체 영역에서 적분한 값이 1이어야 한다. 즉|Ψ(x,t)|2dx=1

Ψ가 슈뢰딩거 방정식의 해이면, 상수 A를 곱한 AΨ도 슈뢰딩거 방정식의 해가 된다. 이것은 상수 A를 적절히 선택해서 |Ψ|2을 전체 영역에서 적분했을 때, 그 값이 1이 되게 해야 함을 뜻하고, 이 과정을 파동함수를 규격화(normalize)한다고 한다. 어떤 파동함수는 상수 A를 곱해도 절댓값의 제곱의 적분이 1이 되지 않는 경우가 있고, 따라서 이러한 파동함수를 규격화 불가능(non-normalizable)하다고 한다. 

파동함수는 한번 규격화 되면 슈뢰딩거 방정식에 의해 시간에 따라 변한다 해도 규격화 상태가 유지되고, 이 성질이 없으면 슈뢰딩거 방정식이 통계학적 해석과 불일치해서 양자역학 이론이 붕괴된다.ddt|Ψ(x,t)|2dx=t|Ψ(x,t)|2dx

이고 곱의 미분법에 의해t|Ψ|2=t(ΨΨ)=ΨΨt+ΨtΨ
이며 슈뢰딩거 방정식에 의해Ψt=i2m2Ψx2iVΨ,Ψt=i2m2Ψx2+iVΨ
이므로t|Ψ|2=i2m(Ψ2Ψx22Ψx2Ψ)=x{i2m(ΨΨxΨxΨ)}
이고ddt|Ψ(x,t)|2dx=[i2m(ΨΨxΨxΨ)]
가 되는데, 이 적분은 x±일 때, 파동함수값이 0으로 수렴해야 하므로 ddt|Ψ(x,t)|2dx=0이어야 하고 따라서 |Ψ(x,t)|2dx는 시간에 무관하게 일정한 값을 갖는다. 따라서 t=0에서 Ψ가 규격화 되었으면, 그 함수는 t=0이후로 항상 규격화된 상태를 유지한다.


파동함수가 Ψ인 입자의 위치 x의 기댓값은 x=x|Ψ(x,t)|2dx이고, 이것은 이 입자의 위치측정을 여러번 반복했을 때, 그 평균값이 |Ψ|2dx가 됨을 의미하는게 아니다. 기댓값은 동일한 상태에 있는 입자들로 이루어진 앙상블(ensemble, 그 계와 동등한 계들의 모임)에 대해 측정을 반복한 평균을 의미하고, 한 상태에서 반복된 측정의 평균을 의미하지 않는다. 

시간에 따라 x는 바뀐다.dxdt=xt|Ψ|2dx=i2mx(ΨΨxΨxΨ)dx=i2m(ΨΨxΨxΨ)dx

이고 이 식의 전개에서 부분적분과 식 xx=1,limx±Ψ(x,t)=0이 이용되었다. 위 식의 두번째 항에 부분적분을 하면 식 dxdt=imΨΨxdx이다. 

양자역학에서는 속도를 정확히 계산할 수 없으며, 속도의 의미 또한 불분명하다. 따라서 속도의 기댓값이 위치의 기댓값의 시간도함수와 같다는 공리(axiom)를 세울 수 있다. 즉 v=dxdt

실제로 양자역학에서는 속도 보다 운동량(momentum) p=mv를 주로 사용한다. 운동량의 기댓값은p=mv=mdxdt=iΨΨxdx

이고, xp를 다시 표시하면x=Ψ(x)Ψdx,p=Ψ(ix)Ψdx
이고, 연산자 x가 위치를 나타내고, 연산자 ix는 운동량을 나타낸다. 이 연산자들의 기댓값을 구하려면 파동함수 ΨΨ를 그 연산자 앞뒤로 곱한 다음 전체 영역에서 적분하면 된다. 

운동에너지는 T=12mv2=p22m으로 나타낼 수 있고, 운동량의 연산자가 ix이므로 운동에너지의 기댓값은 T=22mΨ22Ψx2dx이다.

일반적으로 위치와 운동량의 함수로 표시되는 어떤 종류의 물리량 Q(x,p)의 기댓값은 Q의 연산자 앞뒤로 ΨΨ를 곱하고 적분을 한다. 즉 Q(x,p)=ΨQ(x,ix)Ψdx


다음 그림처럼 아주 긴 줄의 한쪽 끝을 잡고 그것을 위아래로 흔들어 파동을 만들 때,

누군가 "파동이 정확히 어디에 있는 것인가?"라는 질문을 던졌다면 파동은 퍼져나가는 것이기 때문에 이 질문에 제대로 된 대답을 할 수 없다. 만약 "파장(wavelength)이 얼마인가?"라는 질문을 던졌다면 구체적으로 답을 할 수 있을것이다. 하지만 파동이 다음 그림과 같이 한번 확 잡아채고 동작을 멈추면

파동이 정확히 어디에 있는지는 대답을 할 수 있으나 파장이 얼마인지에 대한 대답은 할 수 없다. 

위의 두 경우는 파동의 위치가 정확해질수록 파장의 불확정성이 커지고, 반대로 파장이 정확히 측정될수록 파동의 위치의 불확정성이 커짐을 나타낸다.

위의 현상들은 어느 파동 현상에도 적용할 수 있고, 따라서 양자역학의 파동함수에도 적용할 수 있다. 양자역학에서의 파동함수 Ψ의 파장 λ와 운동량 p는 드 브로이(de Broglie)의 공식에 의해 p=hλ=2πλ이다. 이 식은 입자의 운동량이 정밀하게 측정될 수록, 위치가 덜 정밀하게 측정되고, 반대로 위치가 정밀하게 측정될 수록, 운동량이 덜 정밀하게 측정됨을 뜻하며 따라서 다음의 하이젠베르크(Heisenberg)의 불확정성 원리(uncertainty principle)를 얻는다.σxσp2

여기서 σx는 위치 x측정의 표준편차, σp는 운동량 p측정의 표준편차이다. 


참고자료:

Introduction to Quantum Mechanics 2nd edition, Griffiths, Pearson  

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%99%EC%83%81%EB%B8%94_(%EB%AC%BC%EB%A6%AC%ED%95%99)               

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Posted by skywalker222