Warum ist die Translationsenergie des "Teilchen in einem Kasten" nicht von der Geschwindigkeit abhängig?


23.08.2023, 16:13

In meinem Vorlesungsskript steht folgendes:

Translational Energy Levels

In addition to electronic energy, atoms have translational energy.

To find allowed translational energies we solve Ψ for a particle of mass m in a box of variable side lenghts.

In 1D, motion is along the x demension and the particle is constrained to the interval 0 ≤ x ≤ a.

Allowed energy states are given by:


23.08.2023, 16:21



So the allowed energy states are only dependent on mass m and box length a.

Ich habe mich gefragt, ob die zunehmende Translationsenergie (oder kinetische Energie) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Teilchens, das sich in diesem 1D-Kasten hin und her bewegt (z. B. wenn die Temperatur und damit die Geschwindigkeit erhöht wird), immer genau gleich ist mit einem epsilon_n für die richtige ganze Zahl n ist?

Oder mit einer Analogie: In dieser Box kann ich einen Baseball nur mit diskreten Geschwindigkeiten werfen, und zwar nur mit solchen Geschwindigkeiten, die eine Translationsenergie erzeugen, die gemäß der obigen Formel den ganzen Zahlen n entspricht, und je schwerer mein Baseball ist, und noch wichtiger, je länger das Feld ist, desto kleiner sind die Sprünge zwischen den Zuständen, und der Ball kann immer mehr "kontinuierliche" Geschwindigkeiten annehmen?

Wäre das zum Beispiel richtig?

Angenommen, ich habe ein Wasserstoffatom in der oben beschriebenen Box mit a = 1nm, die kleinstmögliche Geschwindigkeit (n = 1) ist dann:





Die nächstmögliche Geschwindigkeit (n = 2) wäre 39,58 m/s und so weiter...

5 Antworten

Das kannst du nicht mit klassicher Physik behandeln. Wir sind da in der Quantenphysik.
Um es doch noch mit einem klassichen Bild zu versuchen: die Energie dieser "Welle" ist nicht abhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit (das ist ja die relativistische Lichtgeschwindigkeit). Wohl aber von der Frequenz (und mit klassichem Bild auch von der Amplitude).

Dotvilla 
Fragesteller
 22.08.2023, 22:55

Verstehe, nur wie soll ich dann den Begriff "Translation" verstehen, für mich war Translation immer mit einer Bewegung von a nach b verbunden (hier nach den Grenzbedingungen: 0 < x < a).

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Dotvilla 
Fragesteller
 22.08.2023, 22:58

Also ich habe hier gerade die slide auf, da steht:

How is energy stored in a molecule?
  • Electronic energy: hanges in the kinetic and potential energy of one or more electrons associated with the molecule. Same as many-electron atoms.
  • Translational energy. The molecule can move (translate) in space. Same particle-in-a-box solutions as for atoms.
  • Rotational... Vibrational...
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atoemlein  22.08.2023, 23:11
@Dotvilla

Woher hast du Fragestellung und Antwort?

Ich denke, da werden zwei Dinge vermischt.
- "Electronic" meint die quantenchemische Sicht.
- Der Rest mit traslational energy ist scho eher näher bei der klassischen kinetische Gastheorie

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Dotvilla 
Fragesteller
 22.08.2023, 23:20
@atoemlein

Die Fragestellung hat sich mir selber ergeben. Ich mache momentan einen coursea Kurs zum Thema statistische Thermodynamik von der Universität Minnesota.

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atoemlein  22.08.2023, 23:26
@Dotvilla

Stell die Frage "How is energy stored in a molecule?" mal ChatGPT, da ist die Antwort besser.

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Dotvilla 
Fragesteller
 23.08.2023, 16:22

Ich habe gerade meine Frage ergänzt, vielleicht wird es etwas klarer :-)

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Es gibt keine kleinen Kügelchen, die herumfliegen Diese Vorstellung ist überholt.

Es gibt Wellenfunktionen, deren Absolutquadrat einer Aufenthaltswahrscheinlichkeitsdichte von Teilchen entspricht, und die Eigenvektoren des Hamiltonoperators (im unendlichdimensionalen Hilbertraum, der Funktionen auf Vektoren abbildet) sind, was sie zu stabilen Zuständen macht (mit der Energie als Eigenwert). Anschaulicher wird es leider nicht. Wenn man sich schon etwas vorstellen muss, dann sind stehende Wellen näher an der Wahrheit.

Dotvilla 
Fragesteller
 22.08.2023, 20:29

Naja auch diese de broglie Wellen müssen ja irgendeine Ausbreitungsgeschwindigkeit haben. Also decken alle möglichen n's auch alle möglichen Geschwindigkeiten ab?

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hologence  23.08.2023, 04:49
@Dotvilla
müssen ja irgendeine Ausbreitungsgeschwindigkeit haben

Lichtgeschwindigkeit. Der Geschwindigkeitsbegriff für Teilchen ist in solchen geschlossenen Quantenzuständen nur mathematisch aus dem Impuls ausrechenbar, aber wegen der Unschärferelation nicht genau.

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hologence  23.08.2023, 08:09
@hologence

Genauer gesagt, ist Lichtgeschwindigkeit bei de Broglie nur ein Richtwert. Die Phasengeschwindigkeit kann höher sein, die Gruppengeschwindigkeit geringer.

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Dotvilla 
Fragesteller
 23.08.2023, 16:22
@hologence

Ich habe gerade meine Frage ergänzt, vielleicht wird es etwas klarer :-)

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Dotvilla 
Fragesteller
 23.08.2023, 16:27
@hologence

Ich bin mir nämlich nicht so sicher, ob sich ein Wasserstoffatom mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würde...

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Von Experte indiachinacook bestätigt

wie definierst du geschwindigkeit in diesem fall? diese lösungen entsprechen alle zeitunabhängigen zuständen.

Woher ich das weiß:Berufserfahrung – Physiker (Teilchenphysik)
Dotvilla 
Fragesteller
 22.08.2023, 20:18

Vielleicht denke ich zu klassisch aber eben wie lange das Teilchen braucht um zum Beispiel die Strecke 0 bis a in dem Kasten zurückzulegen.

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Reggid  22.08.2023, 21:02
@Dotvilla
Vielleicht denke ich zu klassisch

ja, tust du.

um zum Beispiel die Strecke 0 bis a in dem Kasten zurückzulegen

die wellenfunktion des teilchens füllt den gesamten kasten aus.

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Dotvilla 
Fragesteller
 22.08.2023, 21:25
@Reggid

Wie sollte ich dann Translation in dem Sinne verstehen?

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Dotvilla 
Fragesteller
 22.08.2023, 20:20

Ich bin jetzt Mal davon ausgegangen das Translationsenergie Translation vorraussetzt, also Bewegung.

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Reggid  22.08.2023, 22:11
@Dotvilla

meinst du mit translationsenergie die kinetische energie? der operator dafür ist p^2/2m wobei p der impulsoperator ist. da das potential im kasten 0 ist, ist die gesamtenergie gleich der kinetischen energie.

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Dotvilla 
Fragesteller
 23.08.2023, 16:23

Ich habe gerade meine Frage ergänzt, vielleicht wird es etwas klarer :-)

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Reggid  23.08.2023, 23:15
@Dotvilla

ich kann mich nur wiederholen. du denkst zu klassisch. das sind zeitunabhängige zustände, da bewegt sich nichts hin und her.

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Dotvilla 
Fragesteller
 23.08.2023, 23:20
@Reggid

Sind also auch meine Berechnungen falsch?

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Dotvilla 
Fragesteller
 23.08.2023, 23:23
@Reggid

Und so ein Wasserstoff Atom bewegt sich nicht im Raum? Sollte doch wie beim Gas sein.

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Reggid  24.08.2023, 13:19
@Dotvilla

ja, weil so ein teilchen in der box in der quantenmechanik keine geschwindigkeit hat. es bewegt sich nicht hin und her. ebenso wenig wie ein elektron um den atomkern "kreist".

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Mit der höheren Mathematik der Energiezustände kenne ich mich nicht aus.
Aber ich weiß nicht, wie man bei so einem Versuchsaufbau überhaupt von Translationsenergie sprechen kann, denn diese wäre an eine Richtungsbestimmung gebunden.
Und die Energie an sich ändert sich ja sehr wohl mit der Geschwindigkeit, natürlich gequantelt.

Woher ich das weiß:Berufserfahrung – Traktorist mit Zertifikat von Bill Gates
Dotvilla 
Fragesteller
 23.08.2023, 16:24

Ich habe gerade meine Frage ergänzt, vielleicht wird es etwas klarer :-)

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Also es könnte sein dass diese Gleichung nur für ruhende Teilchen im Kastenpotential gilt. Andererseits sind auch die bewegten Teilchen durch ein "Wellenpaket" beschrieben was sich im Raum fortbewegt. Aber dafür gilt glaube ich eine andere Formel.

Keine Garantie ^^

Dotvilla 
Fragesteller
 23.08.2023, 16:24

Ich habe gerade meine Frage ergänzt, vielleicht wird es etwas klarer :-)

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