量子力學二:應用

WKB 近似(WKB approximation)

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當位能相較於粒子波長變化得很緩慢時,量子力學近乎古典,而 WKB 近似(取自 Wentzel、Kramers、Brillouin)正是系統性利用這一點的方法。它的圖像是:波函數是一列波,其局部波長隨局部動量調整,在粒子跑得快的地方振盪得又快又短,在跑得慢的地方則拉長。它是波動描述與平滑古典軌跡之間的橋樑。

在 E > V(x) 的古典允許區,定義局部動量 p(x) = sqrt(2 m (E - V(x)))。WKB 把 psi(x) 寫成近似正比於 (1/sqrt(p)) exp(±(i/hbar) integral p(x) dx)——其相位累積古典作用量,其振幅 1/sqrt(p) 使機率流保持定值(粒子在慢的地方逗留較久)。在 E < V 的古典禁區,動量變為虛數,同一公式轉為衰減或成長的指數 exp(±(1/hbar) integral |p| dx)。由此有兩大收穫。其一是波耳-索末菲量子化:p dx 對一整條古典軌道的積分等於 (n + 1/2) 2 pi hbar,不必解微分方程就能重現束縛態能量。其二是穿隧因子:穿過位障的穿透率約為 exp(-(2/hbar) integral sqrt(2 m (V - E)) dx)(積分遍及禁區),把矩形位障結果推廣到任意平滑位障。

這方法的威力在於把量子問題化為沿古典路徑的積分,並在 hbar -> 0 極限下精確。但它是有明顯失效模式的近似:它恰在古典轉折點 E = V(x) 處失效,因為那裡 p(x) -> 0,1/sqrt(p) 振幅發散。要把振盪解與指數解跨越轉折點縫合,需要「連接公式」(由線性近似與艾里函數導出),正是這番細心的縫補,才交出量子化條件中那個關鍵的 +1/2。

用於 alpha 衰變時,WKB 把 sqrt(2 m (V - E)) 對包圍原子核的庫侖位障積分。由於該積分隨 alpha 能量下降而陡增,預測的半衰期在 alpha 能量僅變動兩倍時,就橫跨約 20 個數量級——這就是蓋革-努塔耳定律,而 WKB 能定量地解釋它。

WKB 的位障積分把衰變能量的溫和變化,轉化為半衰期的巨大變化。

WKB 是對 hbar 的半古典展開,在波長於自身長度尺度上變化不大時才有效;它在轉折點失效,那裡樸素公式發散,必須用連接公式。著名的 (n + 1/2) 量子化對簡諧振子恰好精確只是運氣,並非通則——對其他位能它只是領導階。

又稱
WKBJ approximationsemiclassical approximation半古典近似溫策-克拉默-布里淵近似