7D.1 一維自由粒子 · 互動視覺化教材

Free Particle in One Dimension · 配合 Atkins《物理化學》量子力學單元

① 薛丁格方程 = 曲率方程

建立直覺:d²ψ/dx² = −(2mE/ℏ²)ψ 在說「波函數彎曲得越厲害,能量越高」。
ψ(x) d²ψ/dx²(曲率)
兩條曲線幾乎是上下鏡像——這就是 ψ″ = −(const)·ψ 的視覺意義。E 越大,振盪越快(曲率越大)。

② 平面波 eikx 的實部、虛部、機率密度

改變 k 觀察波函數的空間頻率如何變化。
Re(ψ) = cos(kx) Im(ψ) = sin(kx) |ψ|² = 1(均勻)
重要觀察:平面波 |ψ|² = 常數——代表粒子「位置完全不確定,動量完全確定」。這正是 Heisenberg 不確定關係的極端情形。

③ 平面波動畫:方向感

加上時間演化 e-iEt/ℏ,看 Re(ψ(x,t)) 的波峰往哪邊移動。
正的 k → 波峰向右移 → 動量 p = +ℏk;負的 k → 波峰向左移 → 動量 p = −ℏk。波峰移動方向 = 動量方向。

④ 色散關係 E = ℏ²k²/2m

E 和 k 的關係是一條拋物線。點擊圖上任一點,看對應的波。
點擊曲線上的點以查看 E 與對應波函數。
k 連續 ⇒ E 連續。自由粒子能量不量子化,因為沒有邊界條件限制 k。

⑤ 疊加態 ψ = A·eikx + B·e-ikx

調整 A、B 的權重,看 |ψ|² 如何從均勻變成駐波。
Re(ψ) Im(ψ) |ψ|²
A = B 時變成 cos(kx) 駐波(|ψ|² 有節點);B = 0 時是純行波(|ψ|² = |A|² 均勻)。「疊加態」不是粒子同時往左又往右,而是測量動量時有 |A|²、|B|² 機率得到 ±ℏk。

⑥ 動量本徵值驗證

示範 p̂ ψ = −iℏ·dψ/dx 作用在 e±ikx 上,得到 ±ℏk·ψ。
eikx 是 p̂ 的本徵函數 → 動量有確定值。這是量子力學「可觀測量 = 算符」框架的第一個具體例子。

⑦ 例題計算器:已知 E,求 k、λ、p

課本例題:1.0 eV 電子沿 +x 運動。自己改動能試試。
算出來的 k 是奈米級倒數 → 波長是奈米級 → 和原子大小相當 → 這就是為什麼電子在原子尺度必須用量子力學描述。

⑧ 能量連續 vs 離散:有無邊界的對比

自由粒子(無牆)vs 盒中粒子(有牆)。拖動滑桿改變「盒長 L」,看離散能階如何出現。
左:自由粒子,任何 E ≥ 0 都允許(連續帶狀)。右:盒中粒子,只有特定能階。關鍵訊息:量子力學不必然離散,是束縛才造成離散。