Volná částice
Jako volná částice se ve fyzice označuje taková částice, na kterou nepůsobí žádné vazby. V klasické fyzice to znamená, že na částici nepůsobí žádné síly.
Volná částice v klasické fyzice
V klasické fyzice je volná částice charakterizována konstantní rychlostí. Hybnost volné částice se také nemění a je určena jako
Energii volné částice lze vyjádřit jako
- ,
Volná částice v nerelativistické kvantové teorii
V nerelativistické kvantové mechanice lze volnou částici popsat Schrödingerovou rovnicí ve tvaru
Řešení této rovnice pro určitou hybnost má tvar rovinné vlny
s podmínkou
- ,
kde je polohový vektor, je čas, je vlnový vektor a je úhlová frekvence.
Částici, která je popsána uvedenou vlnovou funkcí, nelze v důsledku relací neurčitosti lokalizovat. Při přesně dané hodnotě hybnosti se totiž částice může nacházet v libovolném bodě prostoru se stejnou pravděpodobností. Vzhledem k tomu, že pravděpodobnost nalezení částice v celém (nekonečném) prostoru musí být rovna jedné, tzn. , je pro konkrétní hodnotu hybnosti problém normalizovat vlnovou funkci.
Pro střední hodnotu hybnosti v uvedeném případě platí
Střední hodnota energie je pak udána jako
Dosazením z předchozích vztahů do omezující podmínky lze získat vztah mezi energií a hybností pro nerelativistickou hmotnou částici, tzn.
- ,
kde .
Grupová rychlost vlny je
- ,
kde je klasická rychlost částice.
Fázová rychlost vlny je určena jako
V obecném případě nemusí mít volná částice určitou hybnost nebo energii. V takovém případě lze vlnovou funkci volné částice vyjádřit jako superpozici vlastních funkcí hybnosti volné částice, tedy
- ,
kde integrace probíhá přes všechna .
V obecném případě není hybnost částice určena jednou hodnotou, takže částici je možné lokalizovat (viz vlnový balík).
Relativistická volná částice
Kvantová teorie umožňuje popsat také relativistické volné částice, přičemž používá k jejich popisu různé rovnice (podle druhu částice), např.
- Kleinova–Gordonova rovnice - popisuje volné částice bez spinu a elektrického náboje
- Diracova rovnice - popisuje volnou částici se spinem a elektrickým nábojem (tedy elektron)
Související články
Reference
V tomto článku byl použit překlad textu z článku Free particle na anglické Wikipedii.