§2.5 波函数应满足的物理要求
波函数完全确定了一个物理体系的状态。因此,波函数除了满足薛定谔方程外,还必须满足某些物理要求。
首先,因为 时刻粒子处于空间任意一点 处的几率密度都应该是惟一确定的,所以 必须是单值的。在保证了 是单值的情况下,的相因子 没确定。如果
不是实常数,则两个差相因子
的波函数
和 导出的概率流密度将不同。因此,
必须是一个实常数。任意地指定的整体相因子 后,
也是单值的。
由于粒子在全空间出现的概率必为1,
应是平方可积的。
是有限连续的,而且在无限远处有足够好的收敛行为,这样的
自然满足这一物理要求。但这是充分条件,而不是必要条件。实际上,即使
有有限个孤立奇点,但相应的‘暇积分’存在, 仍可满足这一物理要求。
除了平方可积的波函数外,还必须用到一类非平方可积的归一为
函数的波函数,例如单色平面波。对这类波函数
当然不能再要求在无限远处有足够好的收敛行为了。
其次,概率流密度也是一个物理可测量,必须是单值﹑连续﹑有限的。
中含有
,
连续﹑单值且有限是
满足这一物理要求的充分条件,但不是必要条件。当
一些孤立点上不连续﹑不单值时,
却可能是单值﹑连续﹑有限的。例如,当
,尽管
不连续,却有
。
综上所述,只要满足薛定谔方程和以上物理要求的波函数就是可接受的。单值(确定到一个任意相因子)﹑有限﹑连续且在无限远处有足够好的收敛行为的波函数满足物理要求。但这仅是充分条件。更一般的, 可以有有限个孤立奇点,只要相应的‘暇积分’存在;
对非平方可积的波函数,也不再要求在无限远处有足够好的收敛行为;
可以不连续﹑不单值,只要保证
是单值﹑连续﹑有限的就可以了。
以一维情况为例,常见的波函数连接情况如下:
在势场连续有限処,
及
也连续有限。
在势场不连续处( ),
,
有限,
及
也连续有限。但是,在一些特殊的情况下,粒子在不同的势能区域中具有不同的有效质量 ,这时,就必须要求波函数的一阶导数与粒子有效质量之比是连续的。即,
(2.4.1)
。 (2.4.2)
(2.4.2)保证概率流是连续的。
当
无限或势场为
函数时,
连续,但
不连续。在求解一维问题时,上述这些情况的实例都会碰到。