Модель Кронига-Пенни

Я изучаю модель Кронига-Пенни , изложенную в книге Киттеля: Введение в физику твердого тела.

В этой модели рассматривается потенциал периода, равный нулю в области [ 0 , а ] (определить как регион I), U 0 в регионе [ а , а + б ] (определить как область II) и снова ноль в области [ а + б , 2 а + б ] и т. д. и т. д., поэтому период повторения равен а + б .

Уравнение Шредингера можно решить отдельно в области I и II, получая комплексные экспоненты в области I. В области II можно иметь как комплексные, так и действительные экспоненты, в зависимости от знака U 0 ϵ . Киттель берет настоящие экспоненты, не говоря ни слова, но я полагаю, что следует явно потребовать, чтобы ϵ < U 0 ? Почему мы можем это сделать?

Кроме того, решения в области I и II связаны между собой требованием ψ я ( 0 ) "=" ψ я я ( 0 ) и ψ я ( 0 ) "=" ψ я я ( 0 ) . Но затем наступает решающий шаг: Киттель пишет, что теорема Блоха утверждает (в данном конкретном случае), что

ψ я я ( а < Икс < а + б ) "=" ψ я ( б < Икс < 0 ) е я к ( а + б )
и использует это, чтобы написать ψ я я ( а ) "=" ψ я ( б ) е я к ( а + б ) и аналогично для производных. Эти два условия вместе с двумя предыдущими дают два уравнения, которые дают уравнение согласованности на к , которые не будут иметь решений в определенных областях, что приведет к запрещенным зонам и т. д.

У меня есть некоторые проблемы с пониманием этого. Я так понимаю периодичность кристалла а + б , но почему это означает, что эта комбинация встречается в комплексной экспоненте? Кроме того, почему мы не можем сказать ψ я я ( а ) "=" ψ я я ( б ) е я к ( а + б ) (помимо того, что это не поможет нам решить проблему)? Я действительно не понимаю, почему нужно связывать две разные волновые функции таким особым образом.

Ответы (1)

(1) Реальный и мнимый экспоненциальный вопрос: как вы сказали, является ли показатель экспоненты реальным или мнимым, зависит от знака U 0 ϵ . Хорошо, U 0 фиксируется системой, которую вы рассматриваете, но ϵ это параметр, который вы получаете для ввода. Другими словами, вы спрашиваете, как система ведет себя в зависимости от ϵ . Таким образом, вы можете задать вопросы, где ϵ больше, меньше или равно U 0 . Для изучения проводимости оказывается более полезным изучение связанных состояний, а значит ϵ < U 0 Это потому, что вас интересует поведение электронов, связанных с твердым телом, вы не стреляете электронами из бесконечности в твердое тело.

(2) Вопрос об условии согласования: основное требование состоит в том, чтобы волновая функция была непрерывной и дифференцируемой всюду. Гарантируется, что она непрерывна и дифференцируема внутри двух областей. 0 < Икс < а и а < Икс < а + б , так что единственные места, где что-то может пойти не так, это (I) в а и (II) в 0 (что то же самое, что а + б ). Вы можете установить условия в этих местах, используя любые координаты, которые вам нравятся. В частности, вы можете установить непрерывность волновой функции в точке (I), потребовав ψ ( а ) "=" ψ ( б ) . Если вы сделаете это правильно, вы получите тот же ответ, что и Киттель, хотя он сформулировал то же самое условие, используя немного другие координаты. ψ < ( а ) "=" ψ > ( а ) . Это полезное упражнение, чтобы увидеть, что это работает. Основная причина, по которой Киттель не делает этого, заключается в том, что он немного менее эффективен (требуется больше работы, чтобы получить тот же ответ).