§ 4. Электрон в трехмерной решетке
Еще немного о том, как можно применить те же идеи, чтобы понять, что происходит с электроном в трех измерениях. Результаты оказываются очень похожими. Пусть имеется прямоугольная решетка атомов с расстояниями а, b, с в трех направлениях. (Если вам больше по душе кубическая решетка, примите все расстояния равными друг другу.) Предположим также, что амплитуда прыжка к соседу в направлении х есть iAx/h; амплитуда прыжка в направлении у есть iAy/h, а амплитуда прыжка в направлении z есть iAz/h. Как же описать базисные состояния? Как и в одномерном случае, одно базисное состояние — это когда электрон находится близ атома с координатами х, у, z, где (х, у, z) — одна из точек решетки. Если выбрать начало координат в одном из атомов, то все эти точки придутся на
х=nха, y=nyb и z=nzс,
где nх, ny, nz —три целых числа. Вместо того чтобы ставить при х, у и z их номера, будем просто писать х, у, z, имея в виду, что они принимают лишь такие значения, которые бывают у точек решетки. Итак, базисное состояние изображается символом | электрон в х, у, z>, а амплитуда того, что электрон в некотором состоянии |y> окажется в этом базисном состоянии, есть
С (х, у, z)=< электрон в х, у, z |y>.
Как и прежде, амплитуды С (х, у, z) могут меняться во времени. При наших предположениях гамильтоновы уравнения обязаны выглядеть следующим образом:
Хоть это и выглядит громоздко, но вы сразу, конечно, поймете, откуда взялось каждое слагаемое.
Опять попробуем найти стационарное состояние, в котором все С меняются со временем одинаково. И снова решение есть экспонента
Если вы подставите это в (11.22), то увидите, что оно вполне подойдет, если только энергия Е будет связана с kx, ky и kz следующим образом:
Теперь энергия зависит от трех волновых чисел kx, ky, kz, которые, кстати, есть компоненты трехмерного вектора k.
И действительно, (11.23) можно переписать в векторных обозначениях:
Амплитуда меняется как комплексная плоская волна, которая движется в трехмерном пространстве в направлении k с волновым числом k=(k2x+k2y+ k2z)1/2.
Энергия, связываемая с этими стационарными состояниями, зависит от трех компонент k сложным образом, подчиняясь уравнению (11.24). Характер изменения Е зависит от относительных знаков и величин Ах,Ау и Аz. Если вся эта тройка положительна и если нас интересуют лишь маленькие k, то зависимость оказывается сравнительно простой.
Разлагая косинус, как и раньше [см. (11.16)], мы теперь придем к
В простой кубической решетке с расстоянием а между узлами следует ожидать, что и Ах, и Аy, и Аг будут все равны друг другу (скажем, равны А), так что получилось бы
или
А это как раз совпадает с (11.16). Повторяя те же рассуждения, что и тогда, мы пришли бы к заключению, что электронный пакет в трех измерениях (составленный путем суперпозиции множества состояний с почти одинаковыми энергиями) также движется на манер классической частицы, обладающей некоторой эффективной массой.