the wkb approximation

43
Introduction: • Generally, the WKB approximation or WKB method is a method for finding approximate solutions to linear differential equations with spatially varying coefficients. • In Quantum Mechanics it is used to obtain approximate solutions to the time-independent equation in one dimension.

Upload: dhrubanka-sarma

Post on 17-Jan-2017

193 views

Category:

Education


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: The wkb approximation

Introduction:

• Generally, the WKB approximation or WKB method is a method for finding approximate solutions to linear differential equations with spatially varying coefficients. 

• In Quantum Mechanics it is used to obtain approximate solutions to the time-independent  equation in one dimension.

Page 2: The wkb approximation

Applications in Quantum Mechanics

In quantum mechanics it is useful in 1. Calculating bound state energies (Whenever 

the particle cannot move to infinity)2. Transmission probability through potential 

barriers.These are given in next slides. 

Page 3: The wkb approximation

Main idea:• If potential is constant and energy  of the particle is , then the particle 

wave function has the form       where       (+) sign indicates : particle travelling to right      (-)  sign indicates : particle travelling to left 

•  General solution : Linear superposition of the two. 

• The wave function is oscillatory, with fixed wavelength, .

• The amplitude (A) is fixed.  

Page 4: The wkb approximation

•  If V (x) is not constant, but varies slow in comparison with the wavelength λ in a way that it is essentially constant over many λ, then the wave function is practically sinusoidal, but wavelength and amplitude slowly change with x. This is the inspiration behind WKB approximation. In effect, it identifies two different levels of x-dependence :- rapid oscillations, modulated by gradual variation in amplitude and wavelength.

     

Page 5: The wkb approximation

• If E<V and V is constant, then wave function is where 

      If  is not constant, but varies slowly in   comparison with  , the solution remain practically exponential, except that  and  are now slowly-varying function of  .

Page 6: The wkb approximation

Failure of this idea  There is one place where this whole program is bound to fail, and that is in the immediate vicinity of a classical turning point, where . For here  goes to infinity and  can hardly be said to vary “slowly” in comparison. A proper handling of the turning points is the most difficult aspect of the WKB approximation, though the final results are simple to state and easy to implement. The diagram showing turning points is given in next slide.

Page 7: The wkb approximation

The WKB approximation

V(x)

E

Turning points

Page 8: The wkb approximation

The Classical Region• Let's now solve the Schrödinger equation using 

WKB approximation can be rewritten in the following way:  ;    is the classical formula for the momentum 

of a particle with total energy  and potential energy . Let’s assume , so that  is real. This is the classical region , as classically the particle is confined to this range of  The classical and non-classical region is shown in the diagram on the next slide.

Page 9: The wkb approximation

The WKB approximation

V(x)

E

Classical region (E>V)

Non-classical region (E<V)

Fig: Classically, the particle is confined to the region where

Page 10: The wkb approximation

The function 

In general,  is some complex function; we can express it in terms of its amplitude , and its phase,  – both of which are real : 

Page 11: The wkb approximation

Solving the Schrödinger equation 

                            Using prime to denote the derivative with respect to we find:

and 

Putting all these into   (From Schrödinger equation ) , we get

Page 12: The wkb approximation

Solving for real and imaginary parts we get,

The above equation cannot be solved  in general, so we use WKB approximation:  we assume amplitude A varies slowly, so that the A’’ term is negligible. We assume that  << . Therefore, we drop that part and we get

  

Page 13: The wkb approximation

And from second equation, we get 

Where C is real constant.

Page 14: The wkb approximation

Thus from the previous slides from the equations and making ‘C’ a complex constant, we get 

And the general solution can be written as

where  and are constants. 

Page 15: The wkb approximation

Alternate approachIn this approach, the wave function is expanded in powers of . Let, the wave function be:

Using this in: , we get    --------(1)

Expanding S(x) in powers of :

Page 16: The wkb approximation

 ;                                    (neglecting higher powers of ).

where 

For the above equation to be valid, the coefficient of each power of  must vanish separately, 

Page 17: The wkb approximation

and,  ; using the value of 

or, 

                  

                    where A is a normalization 

constant.

Page 18: The wkb approximation

 For the Schrodinger equation is ,

Proceeding in a similar fashion , the solution can be obtained as

 ; where B is a normalization constant. 

Page 19: The wkb approximation

Validity of WKB solutionThe zeroeth order WKB solution is:

                   ; considering positive part only.

       

Page 20: The wkb approximation

But we are interested in solving the following eqn.

Hence, 

  i.e. k(x) should not vary so rapidly This is the Validity condition for WKB 

approximation.

Page 21: The wkb approximation

The WKB approximation

V(x)

E

Classical region (E>V)

Non-classical region (E<V)

Non-classical region (E<V)

Turning points

Page 22: The wkb approximation

The WKB approximation

E V x ( )

( )

i p x dx

WKBCx ep x

E V x

Excluding the turning points:

1 ( )

( )

p x dx

WKBCx ep x

Page 23: The wkb approximation

Patching region

The WKB approximation

V(x)

E

Classical region (E>V)Non-classical region (E<V)

( )

( )

i p x dxCx ep x

1 ( )

( )

p x dxDx ep x

Page 24: The wkb approximation

Connection Formulae𝑘2(𝑥)

𝑥

WKB soln not valid

a

Trigonometric WKB soln

Exponential WKB soln Turning point

Barrier to the right of turning point

Page 25: The wkb approximation

Barrier to the right of turning point

And,

      

Page 26: The wkb approximation

Barrier to the left of turning point

WKB soln not valid

𝑘2(𝑥)

𝑥

Trigonometric WKB soln

Exponential WKB soln

b

Turning point

Page 27: The wkb approximation

Barrier to the left of turning point

And,

Page 28: The wkb approximation

WKB Examples

Page 29: The wkb approximation

Example 1

Potential Square well with a Bumpy Surface

Page 30: The wkb approximation

Potential Square well with a Bumpy Surface 

Suppose we have an infinite square well with a bumpy bottom as shown in figure: and  

𝑽 (𝒙 )

𝒙𝟎

Page 31: The wkb approximation

Inside the well, , we have 

or, must go to zero at  and . So, putting the values we get respectively, 

        and    ,this quantization condition determines the allowed energies.

𝜓 (𝑥)≅ 1√𝑝(𝑥 )

[𝐶1𝑒𝑖ℏ0

𝑥

𝑝 (𝑥 )𝑑𝑥+𝐶2𝑒

−𝑖ℏ

0

𝑥

𝑝 (𝑥 )𝑑𝑥 ]

Page 32: The wkb approximation

Special Case:

If the well has a flat bottom i.e. (), then   and from quantization equation, we get

  Solving these, we get value of :

 which is the formula for the discrete energy 

levels of the infinite square well.  

Page 33: The wkb approximation

Example 2

Tunneling

Page 34: The wkb approximation

In the non-classical region (),          ;  is complexLet us consider the following example : problem of scattering from a rectangular barrier also called tunneling. 

Page 35: The wkb approximation

To the left of the barrier (),

where  is the incident amplitude and  is the reflected amplitude, and .To the right of the barrier ,   

where  is the transmitted amplitude.In the tunneling region () WKB approximation gives,        

Page 36: The wkb approximation

The transmission probability is 

 

  where T is transmission probability.

Page 37: The wkb approximation

Example 3

Eigen value equation for Bound State

Page 38: The wkb approximation

Eigen value equation for Bound StateHere, a and b are the classical turning points.

 =  ;

      Using connection formula at 

Page 39: The wkb approximation

For : 

                               

 

 

Page 40: The wkb approximation

Now using connection formula we get that  goes to exponentially increasing solution in region III which is not a condition for bound state. Hence, the wave function to be well behaved 

Page 41: The wkb approximation

                

This is the Eigen value equation for bound state using WKB approximation.

Now, using this equation the energy Eigen values for Linear Harmonic Oscillator (LHO) can be calculated as shown in next slide : 

Page 42: The wkb approximation

LHO energy Eigen values

For LHO potential is  

 

where,  is the classical amplitude or turning points.

Page 43: The wkb approximation

Using this value of  in Eigen value equation for bound state,

On solving the above equation,            or,   ;       

  - which are the energy Eigen values for a Linear Harmonic Oscillator.