Потенціальна яма

Потенціа́льна я́ма — скінченна область простору, в якій потенціальна енергія частинки менша, ніж зовні.

Потенціальна яма

Потенціальна яма зазвичай характеризується шириною й глибиною (або висотою). Точка з найнижчим значенням потенціальної енергії називається дном ями.

Якщо повна енергія частинки менша за висоту потенціальної ями, то частинка здійснює в ямі коливання, частота яких визначається формою та розмірами ями.

Точки, де повна енергія частинки дорівнює потенціальній енергії називаються точками повороту. На рисунку праворуч ці точки позначені ${\displaystyle x_{1}}$ та ${\displaystyle x_{2}}$.

Потенціальна яма утворюється внаслідок існування сил притягання.

Для виходу з ями частинка повинна отримати енергію.

Квантова механіка

Рух квантово-механічної частинки в потенціальній ямі має певні особливості в порівнянні з класичним рухом.

• Енергія квантово-механічної частинки в потенціальній ямі може набирати лише певних фіксованих дискретних значень.
• Найнижчий енергетичний рівень має енергію вищу за енергію дна ями.
• Квантово-механічна частинка локалізується не в будь-які ямі. Дуже мілкі ями не можуть її утримати.

Квантова хімія

У квантовій хімії поведінка частинки в потенціальній ямі описується рівнянням Шредінгера. Оскільки при цьому хвильова функція частинки не стає нулем на стінках бар'єра й поза ним, то існує певна ймовірність проникнення частинки крізь бар'єр при енергії нижчій, ніж потрібно для подолання бар'єра (тунельний ефект).

Потенціальна яма — одна з найпростіших моделей у квантовій хімії, для якої існує точний розв'язок рівняння Шредінгера. Для частинки в потенціальній ямі потенціальне поле має вигляд: U(x) = 0 для x від 0 до а, U(x) = U₀ для x < 0 або x > а, тобто вважається, що на частинку не діють жодні сили, а стінки ями є для неї непроникними.

Значення

Задача про рух частинки в потенціальній ямі є однією з найважливіших у фізиці. Глибина та форма ями визначають частоти коливань частинок, які проявляються в оптичних спектрах. Існування потенціальних ям для частинок обмежує їхню дифузію, для активації якої необхідно, щоб частинки отримувати певну енергію внаслідок взаємодії із тепловим рухом інших частинок.

Див. також

• Квантування Бора-Зомерфельда
• Розмірне квантування
• Потенціальний бар'єр

Література

• Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0