3次元の井戸型ポテンシャルに対応させた変数分離

まず、時間に依存しないシュレーディンガー方程式はこのようなものでした。

mは質量、Eはエネルギー、Ψは波動関数、Uはポテンシャル、
∇は位置による偏微分iは虚数単位、πは円周率
hに横棒がついたのは、プランク定数hを2πで割ったディラック定数です。

波動関数Ψは今回、時間には依存しませんが、3次元の位置を変数とした関数なので、
Ψ(x,y,z)と明示しておきましょう。
また、∇の2乗も

なので明示しますと、以下のようになります。


ここで、変数分離に移る前に、ポテンシャルUを各変数の関数に分離しておきましょう。
今回は井戸型ポテンシャルを考えればいいので

U(x,y,z)=Ux(x)+Uy(y)+Uz(z)
として、
Uxは-a<x<aでUx=0、それ以外では十分大きい値を持つとし
Uy、Uzも同様に、それぞれ-b～b、-c～cでだけゼロ、それ以外では十分大きい値になっているとします。



ここでようやく変数分離の出番がきて、Ψ(x,y,z)=Ψx(x)Ψyz(y,z)を適用できます。

 
なお、一度の変数分離で分離できる変数は1つだけなので、いっぺんにΨx、Ψy、Ψz
とはできず、ΨxとΨyzにまず分離させます。

そうすると

このようになるので、
両辺をΨxとΨyzで割り算します。

すると、関係ない変数を含んだ偏微分の関数を消すことができます。


ここで、左辺を変数xに関係する項、右辺をxに関係しない項と分離しておくと

左辺＝定数＝右辺

という
形にできますが、式をx,y,zの変数について揃えたいため
エネルギーを3軸に等しく分配してやります。Eの項を3等分するのです。

一旦、両辺に-2mを掛け算して、ディラック定数で割ってやりますと



左辺(x)＝定数＝右辺(y,z)の形に整理しますと


さらに、エネルギーを3等分して各軸に分けますと

これを、xに関する式と、xに関係ない式の2本に分けますと


このような2本の式に分かれます。

しかし、元々Eというのはなんだったのか。
エネルギーのように見えますが、
元々は時間に依存するシュレーディンガー方程式を時間と位置の方程式に変数分離する際に出てきた定数だったはずです。

ですから、EとE2を、係数もひっくるめてまとめて、Exのようにしても構わないはずですね
ということで、1本目の式は


このように簡潔になるはずです。

では、変数yとzも分離していきましょう。

さきほど分離したこの方程式から始まるわけですが
ここではじめて、Ψ(y,z)=Ψ(y)Ψ(z)
と、単独の変数に分離することができます。


偏微分に関係ない変数や関数を約分し終えることができました。

これを整理して、エネルギーをまた等分配しますと


このようになります。

またしても定数が生成されたのでまとめてしまいますと


3軸とも同じ形にできました。


解析解を求める際は、ポテンシャルUx=Uy=Uz=0として、考慮する必要はありませんが、境界値問題を考える必要がでてきます。

逆に、数値解を求める際は、境界値問題は考えなくていいですが、それぞれのポテンシャルUが井戸の外で十分大きい場合、符号を考慮に入れる必要が出てきます。


境界値問題は、1次元の井戸型ポテンシャルと同じように求めることができます。

振り子の微分方程式の、求めるべき関数の変数が、時間tではなく位置x,y,zに変わっただけなのですが
時間の場合は初期条件として、t=0における関数Ψとその時間微分Ψ'を求めることになるのに対し、
位置の場合はΨ'ではなく、位置xが-aやaのときの値を考慮するところが異なります。

また、無限の深さの井戸型ポテンシャルなので、井戸の淵の波動関数そのものをゼロと仮定できますが、
有限の深さの井戸型ポテンシャルの波動関数の場合、Ψ=0と単純におくことができず、
井戸端でΨ(ディリクレ：節)とその微分Ψ'(ノイマン：腹)が連続であることが求められます。このように、ディリクレ条件(節)とノイマン条件(腹)両方を満たすような境界条件を、コーシー境界条件と呼ぶらしいです。


波動関数の場合はほかの波を求めるのと少し異なっており、
最後に規格化することで完成するため、数値解を求める際は
規格化するまで、波動関数の形は決めることができても、大きさを決定することはできません。

そのため、偶関数の場合は腹、奇関数の場合は節となるような境界条件が必要になります。
左右対称な井戸型ポテンシャルの場合は、x=0つまりど真ん中に境界条件を設置することになります。

過去日記の中くらいの図を参照ください。