有限深さ井戸型ポテンシャルの波動方程式を、対称性を用いて簡易に解く

有限深さ井戸型ポテンシャルは以前解いてブログに載せたのですが
そのときは力技で解いていました。

もし、偶数番目の量子数で波動関数が奇関数、奇数番目の量子数で偶関数になるとわかっているなら、どれくらい簡略化されるのか
これについてまだブログには載せていませんでした。



幅2aの井戸型ポテンシャルの、中のポテンシャルはV=0、外のポテンシャルはV=V0とし、
井戸の中心をx=0とします。(-a≦x≦a)


x<0の場合は、偶関数なら波動関数f(-x)=f(x)とし、奇関数ならf(-x)=-f(x)とするわけです。


境界条件はx=±aでf(±a)とその微分f'(±a)が連続であることですが
x<0を考慮しなくて済むので、

4本の連立方程式が2本まで簡略化できます。
つまり、4次ではなく2次の行列方程式を解けばいいだけになるので、かなり楽です。

波数をk、積分定数をA,Bとして(iは虚数単位)
f(x)=Aexp(ikx)+Bexp(-ikx)

という波動関数の境界条件を解けばいいのですが、
左右対称か左右反対称どちらかの解だけになるので、波動関数fは三角関数
井戸の中はf(x)=Asinkxかf(x)=Bcoskxのどちらかだけになりますし、
井戸の外はf(x)=Cexp(-k1x)になります。


量子数が奇数の場合、波動関数は偶関数なので
f(a)=Bcoska=Cexp(-k1a)
f'(a)=-kBsinka=-k1Cexp(-k1a)

量子数が偶数の場合、波動関数は奇関数なので
f(a)=Asinka=Cexp(-k1a)
f'(a)=kAcoska=-k1Cexp(-k1a)

これを解けばいいだけになります。



太線から下は、無限深さ井戸型ポテンシャルへの近似で、検算です。
k1=∞になるので
n番目の量子数がそのまま量子数nとなります。
量子数nが偶数だと波動関数が奇関数になり
量子数nが奇数だと波動関数が偶関数になることが確認できました