बॉक्स मॉडल में कण

क्वांटम यांत्रिकी में, एक बॉक्स मॉडल में कण (जिसे अनंत संभावित कुएं या अनंत वर्ग कुएं के रूप में भी जाना जाता है) अभेद्य बाधाओं से घिरे एक छोटे से स्थान में घूमने के लिए स्वतंत्र कण का वर्णन करता है। मॉडल का उपयोग मुख्य रूप से शास्त्रीय भौतिकी और क्वांटम प्रणालियों के बीच अंतर को दर्शाने के लिए एक काल्पनिक उदाहरण के रूप में किया जाता है। शास्त्रीय प्रणालियों में, उदाहरण के लिए, एक बड़े बॉक्स के अंदर फंसा हुआ कण बॉक्स के भीतर किसी भी गति से घूम सकता है और इसके एक स्थान से दूसरे स्थान पर पाए जाने की अधिक संभावना नहीं होती है। हालाँकि, जब कुआँ बहुत संकीर्ण हो जाता है (कुछ नैनोमीटर के पैमाने पर), तो क्वांटम प्रभाव महत्वपूर्ण हो जाते हैं। कण केवल कुछ सकारात्मक ऊर्जा स्तरों पर ही कब्जा कर सकता है। इसी प्रकार, इसमें कभी भी शून्य ऊर्जा नहीं हो सकती, अर्थात कण कभी भी स्थिर नहीं बैठ सकता। इसके अतिरिक्त, इसकी ऊर्जा स्तर के आधार पर, दूसरों की तुलना में कुछ स्थानों पर इसके पाए जाने की अधिक संभावना है। कण को ​​कुछ स्थानों पर, जिन्हें स्थानिक नोड्स के रूप में जाना जाता है, कभी भी पता नहीं लगाया जा सकता है।

एक बॉक्स मॉडल में कण क्वांटम यांत्रिकी में बहुत कम समस्याओं में से एक है जिसे बिना किसी अनुमान के विश्लेषणात्मक रूप से हल किया जा सकता है। अपनी सादगी के कारण, मॉडल जटिल गणित की आवश्यकता के बिना क्वांटम प्रभावों में अंतर्दृष्टि की अनुमति देता है। यह एक सरल चित्रण के रूप में कार्य करता है कि ऊर्जा परिमाणीकरण (भौतिकी)भौतिकी) (ऊर्जा स्तर), जो परमाणुओं और अणुओं जैसे अधिक जटिल क्वांटम प्रणालियों में पाए जाते हैं, कैसे आते हैं। यह स्नातक भौतिकी पाठ्यक्रमों में पढ़ाई जाने वाली पहली क्वांटम यांत्रिकी समस्याओं में से एक है, और इसे आमतौर पर अधिक जटिल क्वांटम प्रणालियों के लिए एक अनुमान के रूप में उपयोग किया जाता है।

एक आयामी समाधान
एक बॉक्स मॉडल में कण का सबसे सरल रूप एक आयामी प्रणाली पर विचार करता है। यहां, कण केवल दोनों छोर पर अभेद्य बाधाओं के साथ एक सीधी रेखा के साथ पीछे और आगे की ओर बढ़ सकता है। एक-आयामी बॉक्स की दीवारों को अनंत रूप से बड़ी संभावित ऊर्जा वाले अंतरिक्ष के क्षेत्रों के रूप में देखा जा सकता है। इसके विपरीत, बॉक्स के आंतरिक भाग में स्थिर, शून्य स्थितिज ऊर्जा होती है। इसका मतलब यह है कि बॉक्स के अंदर कण पर कोई बल कार्य नहीं करता है और यह उस क्षेत्र में स्वतंत्र रूप से घूम सकता है। हालाँकि, यदि कण बॉक्स की दीवारों को छूता है, तो असीम रूप से बड़ी ताकतें उसे पीछे हटा देती हैं, जिससे वह बाहर नहीं निकल पाता है। इस मॉडल में संभावित ऊर्जा इस प्रकार दी गई है $$V(x) = \begin{cases} 0, & x_c-\tfrac{L}{2} < x <x_c+\tfrac{L}{2},\\ \infty, & \text{otherwise,} \end{cases},$$ जहां L बॉक्स की लंबाई है, xcबॉक्स के केंद्र का स्थान है और x बॉक्स के भीतर कण की स्थिति है। साधारण मामलों में केन्द्रित बॉक्स (x) शामिल हैc= 0) और स्थानांतरित बॉक्स (xc= एल/2) (चित्रित)।

स्थिति तरंग फ़ंक्शन
क्वांटम यांत्रिकी में, तरंगक्रिया किसी कण के व्यवहार का सबसे मौलिक विवरण देती है; कण के मापने योग्य गुण (जैसे कि इसकी स्थिति, गति और ऊर्जा) सभी तरंग फ़ंक्शन से प्राप्त किए जा सकते हैं। तरंगक्रिया $$\psi(x,t)$$ सिस्टम के लिए श्रोडिंगर समीकरण को हल करके पाया जा सकता है $$i\hbar\frac{\partial}{\partial t}\psi(x,t) = -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2}{\partial x^2}\psi(x,t) +V(x)\psi(x,t),$$ कहाँ $$\hbar$$ घटा हुआ प्लैंक स्थिरांक है, $$m$$ कण का द्रव्यमान है, $$i$$ काल्पनिक इकाई है और $$t$$ यह समय है।

बॉक्स के अंदर, कण पर कोई बल कार्य नहीं करता है, जिसका अर्थ है कि बॉक्स के अंदर तरंग फ़ंक्शन का हिस्सा एक मुक्त कण के समान रूप में अंतरिक्ष और समय के माध्यम से दोलन करता है: कहाँ $$A$$ और $$B$$ मनमानी सम्मिश्र संख्याएँ हैं। स्थान और समय के माध्यम से दोलनों की आवृत्ति तरंग संख्या द्वारा दी जाती है $$k$$ और कोणीय आवृत्ति $$\omega$$ क्रमश। ये दोनों अभिव्यक्ति द्वारा कण की कुल ऊर्जा से संबंधित हैं $$E = \hbar\omega = \frac{\hbar^2 k^2}{2m},$$ जिसे एक मुक्त कण के फैलाव संबंध के रूप में जाना जाता है। यहां किसी को ध्यान देना चाहिए कि अब, चूंकि कण पूरी तरह से मुक्त नहीं है लेकिन एक क्षमता (ऊपर वर्णित संभावित वी) के प्रभाव में है, ऊपर दिए गए कण की ऊर्जा वैसी नहीं है जैसी $$ \frac{p^2}{2m} $$ जहां p कण का संवेग है, और इस प्रकार उपरोक्त तरंगसंख्या k वास्तव में कण की ऊर्जा अवस्थाओं का वर्णन करती है, न कि संवेग अवस्थाओं का (अर्थात यह पता चलता है कि कण का संवेग इसके द्वारा नहीं दिया गया है) $$ p = \hbar k $$). इस अर्थ में, संख्या k को वेवनंबर कहना काफी खतरनाक है, क्योंकि यह आमतौर पर वेवनंबर की तरह गति से संबंधित नहीं है। K को वेवनंबर कहने का तर्क यह है कि यह बॉक्स के अंदर वेवफंक्शन के शिखरों की संख्या की गणना करता है, और इस अर्थ में यह एक वेवनंबर है। इस विसंगति को नीचे अधिक स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है, जब हमें पता चलता है कि कण का ऊर्जा स्पेक्ट्रम अलग है (केवल ऊर्जा के अलग मूल्यों की अनुमति है) लेकिन संवेग स्पेक्ट्रम निरंतर है (संवेग लगातार भिन्न हो सकता है) और विशेष रूप से, संबंध $$E = \frac{p^2}{2m} $$ क्योंकि कण की ऊर्जा और गति स्थिर नहीं रहती। जैसा कि ऊपर कहा गया है, ऊर्जा और संवेग के बीच यह संबंध कायम नहीं रहने का कारण यह है कि कण स्वतंत्र नहीं है, लेकिन सिस्टम में एक संभावित V है, और कण की ऊर्जा है $$ E = T + V $$, जहां T गतिज ऊर्जा है और V स्थितिज ऊर्जा है।

किसी दिए गए स्थान पर तरंग फ़ंक्शन का आयाम वहां एक कण पाए जाने की संभावना से संबंधित है $$P(x,t) = |\psi(x,t)|^2$$. इसलिए वेवफ़ंक्शन को बॉक्स के किनारों से परे हर जगह गायब हो जाना चाहिए।  इसके अलावा, तरंग फ़ंक्शन का आयाम एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक अचानक नहीं बढ़ सकता है।  ये दोनों स्थितियाँ केवल तरंग-कार्यों द्वारा ही संतुष्ट होती हैं $$\psi_n(x,t) = \begin{cases} A \sin\left(k_n \left(x-x_c+\tfrac{L}{2}\right)\right) e^{-i\omega_n t}\quad & x_c-\tfrac{L}{2} < x < x_c+\tfrac{L}{2}\\ 0 & \text{otherwise} \end{cases},$$ कहाँ $$k_n=\frac{n \pi}{ L},$$ और $$E_n=\hbar \omega_n=\frac{n^2 \pi^2 \hbar^2}{2 m L^2} = \frac{n^2 h^2}{8mL^2},$$ जहाँ n एक धनात्मक पूर्णांक (1, 2, 3, 4, ...) है। एक स्थानांतरित बॉक्स के लिए (xc= एल/2), समाधान विशेष रूप से सरल है। सबसे सरल उपाय, $$k_n = 0$$ या $$A = 0$$ दोनों ही तुच्छ तरंग फलन उत्पन्न करते हैं $$\psi(x) = 0$$, जो एक ऐसे कण का वर्णन करता है जो सिस्टम में कहीं भी मौजूद नहीं है। के नकारात्मक मान $$n$$ उपेक्षित हैं, क्योंकि वे सकारात्मक के समान तरंग-कार्य देते हैं $$n$$ भौतिक रूप से महत्वहीन संकेत परिवर्तन को छोड़कर समाधान। यहां कोई यह देख सकता है कि कण के लिए केवल ऊर्जा मूल्यों और तरंग संख्या k के एक अलग सेट की अनुमति है। आमतौर पर क्वांटम यांत्रिकी में यह भी मांग की जाती है कि वेवफंक्शन के अलावा वेवफंक्शन का व्युत्पन्न भी निरंतर हो; यहां इस मांग से एकमात्र समाधान निरंतर शून्य फ़ंक्शन होगा, जो कि हम नहीं चाहते हैं, इसलिए हम इस मांग को छोड़ देते हैं (चूंकि अनंत क्षमता वाली इस प्रणाली को एक गैर-भौतिक अमूर्त सीमित मामले के रूप में माना जा सकता है, हम इसे मान सकते हैं ऐसे और नियमों को मोड़ें)। ध्यान दें कि इस मांग को छोड़ने का मतलब है कि वेवफंक्शन बॉक्स की सीमा पर एक अलग कार्य नहीं है, और इस प्रकार यह कहा जा सकता है कि वेवफंक्शन सीमा बिंदुओं पर श्रोडिंगर समीकरण को हल नहीं करता है $$ x = 0 $$ और $$ x = L $$ (लेकिन बाकी सभी जगहों पर इसका समाधान हो जाता है)।

अंत में, अज्ञात स्थिरांक $$A$$ वेवफ़ंक्शन#सामान्यीकरण स्थिति द्वारा पाया जा सकता है ताकि सिस्टम में कण खोजने की कुल संभावना घनत्व 1 हो।

गणितीय रूप से, $$\int_0^L \left\vert \psi(x) \right\vert^2 dx = 1 $$ (कण कहीं न कहीं होगा)

यह इस प्रकार है कि $$\left| A \right| = \sqrt{\frac{2 }{L}}.$$ इस प्रकार, A निरपेक्ष मान वाली कोई भी सम्मिश्र संख्या हो सकती है $$; A के ये विभिन्न मान समान भौतिक स्थिति उत्पन्न करते हैं, इसलिए A = 2/L}सरल बनाने के लिए } का चयन किया जा सकता है।

यह अपेक्षा की जाती है कि eigenvalues, यानी, ऊर्जा $$E_n$$ अंतरिक्ष में इसकी स्थिति की परवाह किए बिना बॉक्स का आकार समान होना चाहिए, लेकिन $$\psi_n(x,t)$$ परिवर्तन। नोटिस जो $$x_c - \tfrac{L}{2}$$ तरंग फ़ंक्शन में एक चरण बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है। श्रोडिंगर समीकरण को हल करते समय इस चरण बदलाव का कोई प्रभाव नहीं पड़ता है, और इसलिए यह आइगेनवैल्यू को प्रभावित नहीं करता है।

यदि हम निर्देशांक की उत्पत्ति को बॉक्स के केंद्र पर सेट करते हैं, तो हम तरंग फ़ंक्शन के स्थानिक भाग को संक्षेप में इस प्रकार लिख सकते हैं: $$\psi_n (x) = \begin{cases} \sqrt{\frac{2}{L}} \sin(k_nx) \quad{} \text{for } n \text{ even} \\ \sqrt{\frac{2}{L}} \cos(k_nx) \quad{} \text{for } n \text{ odd}. \end{cases}$$

संवेग तरंग फलन
संवेग तरंग फ़ंक्शन स्थिति तरंग फ़ंक्शन के फूरियर रूपांतरण के समानुपाती होता है। साथ $$k = p / \hbar$$ (ध्यान दें कि पैरामीटर $\sqrt{2/L}$ नीचे दिए गए संवेग तरंग फलन का वर्णन बिल्कुल विशेष नहीं है $k_{n}$ऊपर, ऊर्जा eigenvalues ​​​​से जुड़ा हुआ), गति तरंग फ़ंक्शन द्वारा दिया गया है $$\phi_n(p,t) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}}\int_{-\infty}^\infty \psi_n(x,t)e^{-ikx}\,dx = \sqrt{\frac{L}{\pi \hbar}} \left(\frac{n\pi}{n\pi+k L}\right)\,\operatorname{sinc}\left(\tfrac{1}{2}(n\pi-k L)\right)e^{-i k x_c}e^{i (n-1) \tfrac{\pi}{2}}e^{-i\omega_n t} , $$ जहां sync कार्डिनल साइन sync फ़ंक्शन है, $sinc(x) = sin(x)/x$. केन्द्रित बॉक्स के लिए ($x_{c} = 0$), समाधान वास्तविक और विशेष रूप से सरल है, क्योंकि दाईं ओर का चरण कारक एकता में कम हो जाता है। (सावधानी से, इसे एक सम फलन के रूप में लिखा जा सकता है $k$.)

यह देखा जा सकता है कि इस तरंग पैकेट में गति स्पेक्ट्रम निरंतर है, और कोई यह निष्कर्ष निकाल सकता है कि तरंग संख्या द्वारा वर्णित ऊर्जा स्थिति के लिए $k_{n}$, जब गति मापी जाती है, तो इससे परे अन्य मान भी प्राप्त हो सकते हैं $$ p = \pm \hbar k_n $$.

अत: यह भी प्रतीत होता है कि चूँकि ऊर्जा है $ E_n = \frac{\hbar^2 k_n^2}{2m} $ nवें आइजेनस्टेट के लिए, संबंध $ E = \frac{p^2}{2m} $  मापी गई गति के लिए कड़ाई से पकड़ नहीं रखता है $p$; ऊर्जा eigenstate $$ \psi_n $$ यह एक संवेग आइजनस्टेट नहीं है, और, वास्तव में, दो संवेग आइजेनस्टेट का सुपरपोजिशन भी नहीं है, जैसा कि कोई भी समीकरण से कल्पना करने के लिए प्रलोभित हो सकता है ($p$) ऊपर: विशेष रूप से, माप से पहले इसकी कोई अच्छी तरह से परिभाषित गति नहीं है!

स्थिति और गति संभाव्यता वितरण
क्लासिक भौतिकी में, कण को ​​समान संभावना के साथ बॉक्स में कहीं भी पाया जा सकता है। हालाँकि, क्वांटम यांत्रिकी में, किसी दिए गए स्थान पर एक कण को ​​खोजने की संभाव्यता घनत्व तरंग फ़ंक्शन से प्राप्त होती है $$P(x) = |\psi(x)|^2.$$ एक बॉक्स में कण के लिए, किसी दिए गए स्थान पर कण को ​​खोजने की संभाव्यता घनत्व उसकी स्थिति पर निर्भर करती है, और इसके द्वारा दी जाती है $$P_n(x,t) = \begin{cases} \frac{2}{L} \sin^2\left(k_n \left(x-x_c+\tfrac{L}{2}\right)\right), & x_c-\frac{L}{2} < x < x_c+\frac{L}{2},\\ 0, & \text{otherwise,} \end{cases}$$ इस प्रकार, एक से अधिक n के किसी भी मान के लिए बॉक्स के भीतर क्षेत्र होते हैं $$P(x)=0$$, यह दर्शाता है कि स्थानिक नोड्स मौजूद हैं जिन पर कण नहीं पाया जा सकता है।

क्वांटम यांत्रिकी में, किसी कण की स्थिति का औसत, या अपेक्षित मान दिया जाता है $$\langle x \rangle = \int_{-\infty}^{\infty} x P_n(x)\,\mathrm{d}x.$$ एक बॉक्स में स्थिर अवस्था वाले कण के लिए, यह दिखाया जा सकता है कि औसत स्थिति हमेशा होती है $$\langle x \rangle =x_c$$, कण की स्थिति की परवाह किए बिना। राज्यों के सुपरपोजिशन के लिए, स्थिति का अपेक्षित मूल्य क्रॉस टर्म के आधार पर बदल जाएगा जो आनुपातिक है $$\cos(\omega t)$$.

स्थिति में भिन्नता कण की स्थिति में अनिश्चितता का माप है: $$\mathrm{Var}(x) = \int_{-\infty}^\infty (x-\langle x\rangle)^2 P_n(x)\,dx = \frac{L^2}{12}\left(1-\frac{6}{n^2\pi^2}\right)$$ किसी दिए गए संवेग के साथ एक कण को ​​खोजने की संभाव्यता घनत्व तरंग फ़ंक्शन से प्राप्त होती है $$P(x) = |\phi(x)|^2$$. स्थिति की तरह, किसी दिए गए संवेग पर कण को ​​खोजने की संभाव्यता घनत्व उसकी स्थिति पर निर्भर करती है, और इसके द्वारा दी जाती है $$P_n(p)=\frac{L}{\pi \hbar} \left(\frac{n\pi}{n\pi+k L}\right)^2\,\textrm{sinc}^2\left(\tfrac{1}{2}(n\pi-k L)\right)$$ कहाँ, फिर से, $$k = p / \hbar$$. फिर संवेग के लिए अपेक्षित मान की गणना शून्य की जाती है, और संवेग में विचरण की गणना इस प्रकार की जाती है: $$\mathrm{Var}(p)=\left(\frac{\hbar n\pi}{L}\right)^2$$ स्थिति और गति में अनिश्चितताएं ($$\Delta x$$ और $$\Delta p$$) को उनके संबंधित प्रसरणों के वर्गमूल के बराबर के रूप में परिभाषित किया गया है, ताकि: $$\Delta x \Delta p = \frac{\hbar}{2} \sqrt{\frac{n^2\pi^2}{3}-2}$$ यह उत्पाद n बढ़ने के साथ बढ़ता है, जिसका न्यूनतम मान n=1 है। n=1 के लिए इस उत्पाद का मूल्य लगभग 0.568 के बराबर है $$\hbar$$ जो हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत का पालन करता है, जो बताता है कि उत्पाद इससे अधिक या उसके बराबर होगा $$\hbar/2$$ स्थिति में अनिश्चितता का एक अन्य माप संभाव्यता वितरण एच की एन्ट्रॉपी (सूचना) हैx: $$H_x=\int_{-\infty}^\infty P_n(x) \log(P_n(x) x_0)\,dx =\log\left(\frac{2 L}{e \,x_0}\right)$$ कहां एक्स0 एक मनमाना संदर्भ लंबाई है.

संवेग में अनिश्चितता का एक अन्य माप संभाव्यता वितरण एच की एन्ट्रॉपी (सूचना) हैp: $$H_p(n)=\int_{-\infty}^\infty P_n(p) \log(P_n(p) p_0)\,dp$$ $$\lim_{n\to\infty} H_p(n) = \log\left(\frac{4 \pi \hbar\, e^{2(1-\gamma)}}{ L\, p_0}\right)$$ जहां γ यूलर-माशेरोनी स्थिरांक है|यूलर का स्थिरांक। क्वांटम यांत्रिक अनिश्चितता सिद्धांत#क्वांटम एन्ट्रोपिक अनिश्चितता सिद्धांत कहता है कि $$x_0\,p_0 = \hbar$$ $$H_x+H_p(n) \ge \log(e\,\pi) \approx 2.14473...$$ (नट (इकाई))

के लिए $$x_0\,p_0=\hbar$$, स्थिति और संवेग एन्ट्रॉपी का योग उपज: $$H_x+H_p(\infty) = \log\left(8\pi\, e^{1-2\gamma}\right) \approx 3.06974...$$ (नट (इकाई))

जो क्वांटम एन्ट्रोपिक अनिश्चितता सिद्धांत को संतुष्ट करता है।

ऊर्जा स्तर
प्रत्येक अनुमत तरंग संख्या के अनुरूप ऊर्जा को इस प्रकार लिखा जा सकता है $$E_n = \frac{n^2\hbar^2 \pi ^2}{2mL^2} = \frac{n^2 h^2}{8mL^2}.$$ ऊर्जा का स्तर बढ़ता है $$n^2$$, जिसका अर्थ है कि उच्च ऊर्जा स्तर निम्न ऊर्जा स्तर की तुलना में अधिक मात्रा में एक दूसरे से अलग होते हैं। कण के लिए न्यूनतम संभव ऊर्जा (इसकी शून्य-बिंदु ऊर्जा) अवस्था 1 में पाई जाती है, जो कि दी गई है $$E_1 = \frac{\hbar^2\pi^2}{2mL^2} = \frac{h^2}{8mL^2}.$$ इसलिए, कण में हमेशा सकारात्मक ऊर्जा होती है। यह शास्त्रीय प्रणालियों के विपरीत है, जहां कण गतिहीन होकर शून्य ऊर्जा प्राप्त कर सकता है। इसे अनिश्चितता सिद्धांत के संदर्भ में समझाया जा सकता है, जो बताता है कि किसी कण की स्थिति और गति में अनिश्चितताओं का उत्पाद सीमित है $$\Delta x\Delta p \geq \frac{\hbar}{2}$$ यह दिखाया जा सकता है कि कण की स्थिति में अनिश्चितता बॉक्स की चौड़ाई के समानुपाती होती है। इस प्रकार, संवेग में अनिश्चितता बॉक्स की चौड़ाई के लगभग व्युत्क्रमानुपाती होती है। किसी कण की गतिज ऊर्जा किसके द्वारा दी जाती है? $$E = p^2/(2m)$$, और इसलिए उपरोक्त गणना के साथ गुणात्मक समझौते में, एक बॉक्स में कण की न्यूनतम गतिज ऊर्जा द्रव्यमान और कुएं की चौड़ाई के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होती है।

(हाइपर)आयताकार दीवारें
यदि कोई कण द्वि-आयामी बॉक्स में फंस गया है, तो वह स्वतंत्र रूप से अंदर जा सकता है $$x$$ और $$y$$-दिशाएँ, लंबाई द्वारा अलग की गई बाधाओं के बीच $$L_x$$ और $$L_y$$ क्रमश। एक केन्द्रित बॉक्स के लिए, स्थिति तरंग फ़ंक्शन को बॉक्स की लंबाई सहित लिखा जा सकता है $$\psi_n(x,t,L)$$. एक-आयामी बॉक्स के समान दृष्टिकोण का उपयोग करके, यह दिखाया जा सकता है कि एक केंद्रित बॉक्स के लिए तरंग फ़ंक्शन और ऊर्जा क्रमशः दी गई हैं $$\psi_{n_x,n_y} = \psi_{n_x}(x,t,L_x)\psi_{n_y}(y,t,L_y),$$ $$E_{n_x,n_y} = \frac{\hbar^2 k_{n_x,n_y}^2}{2m},$$ जहां द्वि-आयामी वेववेक्टर द्वारा दिया गया है $$\mathbf{k}_{n_x,n_y} = k_{n_x}\mathbf{\hat{x}} + k_{n_y}\mathbf{\hat{y}} = \frac{n_x \pi }{L_x} \mathbf{\hat{x}} + \frac{n_y \pi }{L_y} \mathbf{\hat{y}}.$$ त्रि-आयामी बॉक्स के लिए, समाधान हैं $$\psi_{n_x,n_y,n_z} = \psi_{n_x}(x,t,L_x)\psi_{n_y}(y,t,L_y) \psi_{n_z}(z,t,L_z),$$ $$E_{n_x,n_y,n_z} = \frac{\hbar^2 k_{n_x,n_y,n_z}^2}{2m}, $$ जहां त्रि-आयामी वेववेक्टर निम्न द्वारा दिया गया है: $$\mathbf{k}_{n_x,n_y,n_z} = k_{n_x}\mathbf{\hat{x}} + k_{n_y}\mathbf{\hat{y}} + k_{n_z}\mathbf{\hat{z}} = \frac{n_x \pi }{L_x} \mathbf{\hat{x}} + \frac{n_y \pi }{L_y} \mathbf{\hat{y}} + \frac{n_z \pi }{L_z} \mathbf{\hat{z}} .$$ सामान्य तौर पर एन-आयामी बॉक्स के लिए, समाधान हैं $$ \psi =\prod_{i} \psi_{n_i}(x_i,t,L_i)$$ एन-आयामी गति तरंग कार्यों को इसी तरह दर्शाया जा सकता है $$\phi_n(x, t, L_x)$$ और एक n-आयामी केन्द्रित बॉक्स के लिए संवेग तरंग फ़ंक्शन तब है: $$ \phi = \prod_{i} \phi_{n_i}(k_i,t,L_i)$$ उपरोक्त समाधानों की एक दिलचस्प विशेषता यह है कि जब दो या दो से अधिक लंबाई समान होती हैं (उदाहरण के लिए) $$L_x = L_y$$), समान कुल ऊर्जा के अनुरूप अनेक तरंग फलन होते हैं। उदाहरण के लिए, तरंग फ़ंक्शन के साथ $$n_x = 2, n_y = 1$$ इसमें तरंग फ़ंक्शन के समान ऊर्जा होती है $$n_x = 1, n_y = 2$$. इस स्थिति को डीजेनरेट ऊर्जा स्तर कहा जाता है और उस मामले के लिए जहां बिल्कुल दो डीजेनरेट तरंग कार्यों में समान ऊर्जा होती है, ऊर्जा स्तर को दोगुना डीजेनरेट कहा जाता है। व्यवस्था में समरूपता के कारण विकृति उत्पन्न होती है। उपरोक्त मामले के लिए दो लंबाई बराबर हैं इसलिए सिस्टम 90° रोटेशन के संबंध में सममित है।

अधिक जटिल दीवार आकार
एक बॉक्स में क्वांटम-मैकेनिकल कण के लिए तरंग फ़ंक्शन, जिसकी दीवारों का मनमाना आकार होता है, हेल्महोल्त्ज़ समीकरण द्वारा सीमा शर्त के अधीन दिया जाता है कि तरंग फ़ंक्शन दीवारों पर गायब हो जाता है। इन प्रणालियों का अध्ययन दीवार के आकार के लिए क्वांटम अराजकता के क्षेत्र में किया जाता है जिनके संबंधित गतिशील बिलियर्ड गैर-अभिन्न होते हैं।

अनुप्रयोग
इसकी गणितीय सरलता के कारण, एक बॉक्स मॉडल में कण का उपयोग अधिक जटिल भौतिक प्रणालियों के लिए अनुमानित समाधान खोजने के लिए किया जाता है जिसमें एक कण दो उच्च संभावित बाधाओं के बीच कम विद्युत क्षमता के एक संकीर्ण क्षेत्र में फंस जाता है। ये क्वांटम अच्छी तरह से  सिस्टम  Optoelectronics  में विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं, और क्वांटम वेल लेजर, क्वांटम वेल इंफ्रारेड फोटोडिटेक्टर और क्वांटम-सीमित स्टार्क प्रभाव मॉड्यूलेटर जैसे उपकरणों में उपयोग किए जाते हैं। इसका उपयोग  क्रोनिग-पेन्नी मॉडल  में एक जाली का मॉडल बनाने और मुक्त इलेक्ट्रॉन सन्निकटन के साथ एक परिमित धातु के लिए भी किया जाता है।

संयुग्मित पॉलीएन्स
संयुग्मित पॉलीन सिस्टम को एक बॉक्स में कण का उपयोग करके मॉडल किया जा सकता है। इलेक्ट्रॉनों की संयुग्मित प्रणाली को एक आयामी बॉक्स के रूप में तैयार किया जा सकता है, जिसकी लंबाई पॉलीन के एक टर्मिनस से दूसरे तक की कुल बॉन्ड दूरी के बराबर होती है। इस मामले में प्रत्येक π बांड में इलेक्ट्रॉनों की प्रत्येक जोड़ी उनके ऊर्जा स्तर से मेल खाती है। दो ऊर्जा स्तरों के बीच ऊर्जा अंतर, nfऔर niहै: $$\Delta E = \frac{(n_f^2 - n_i^2) h^2}{8mL^2}$$ जमीनी अवस्था ऊर्जा, n, और पहली उत्तेजित अवस्था, n+1 के बीच का अंतर, सिस्टम को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा से मेल खाता है। इस ऊर्जा की एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य होती है, और इसलिए प्रकाश का रंग, इससे संबंधित होता है: $$\lambda = \frac{hc}{\Delta E}$$ इस घटना का एक सामान्य उदाहरण β-कैरोटीन में है। β-कैरोटीन (सी40H56) नारंगी रंग और लगभग 3.8 एनएम की आणविक लंबाई वाला एक संयुग्मित पॉलीन है (हालांकि इसकी श्रृंखला की लंबाई केवल लगभग 2.4 एनएम है)। β-कैरोटीन के उच्च स्तर के संयुग्मित तंत्र के कारण, इलेक्ट्रॉन अणु की पूरी लंबाई में फैले होते हैं, जिससे कोई इसे एक बॉक्स में एक-आयामी कण के रूप में मॉडल कर सकता है। β-कैरोटीन में संयुग्मन में 11 कार्बन-कार्बन दोहरे बंधन होते हैं; उनमें से प्रत्येक दोहरे बंधन में दो π-इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए β-कैरोटीन में 22 π-इलेक्ट्रॉन होते हैं। प्रति ऊर्जा स्तर पर दो इलेक्ट्रॉनों के साथ, β-कैरोटीन को ऊर्जा स्तर n=11 पर एक बॉक्स में एक कण के रूप में माना जा सकता है। इसलिए, एक इलेक्ट्रॉन को अगले ऊर्जा स्तर तक उत्तेजित करने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा की गणना, n=12, निम्नानुसार की जा सकती है (याद रखें कि एक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान 9.109 × 10 है−31कि.ग्रा ): $$\Delta E = \frac{(n_f^2 - n_i^2) h^2}{8 m L^2}= \frac{(12^2 - 11^2) h^2}{8 m L^2}= 2.3658\times10^{-19} \text{ J}$$ ऊर्जा के साथ तरंग दैर्ध्य के पिछले संबंध का उपयोग करते हुए, प्लैंक स्थिरांक | प्लैंक स्थिरांक h और प्रकाश की गति c दोनों को याद करते हुए: $$\lambda = \frac{ hc }{ \Delta E }= 0.00000084 \text{ m} = 840 \text{ nm}$$ यह इंगित करता है कि β-कैरोटीन मुख्य रूप से अवरक्त स्पेक्ट्रम में प्रकाश को अवशोषित करता है, इसलिए यह मानव आंख को सफेद दिखाई देगा। हालाँकि प्रेक्षित तरंगदैर्घ्य 450 एनएम है, यह दर्शाता है कि एक बॉक्स में कण इस प्रणाली के लिए एक आदर्श मॉडल नहीं है।

क्वांटम वेल लेजर
एक बॉक्स मॉडल में कण को ​​​​क्वांटम वेल लेजर पर लागू किया जा सकता है, जो लेजर डायोड होते हैं जिसमें एक सेमीकंडक्टर "वेल" सामग्री होती है जो विभिन्न सामग्रियों की दो अन्य सेमीकंडक्टर परतों के बीच सैंडविच होती है। क्योंकि इस सैंडविच की परतें बहुत पतली हैं (बीच की परत आमतौर पर लगभग 100 Å मोटी होती है), क्वांटम कारावास प्रभाव देखा जा सकता है। यह विचार कि बेहतर लेजर डायोड बनाने के लिए क्वांटम प्रभावों का उपयोग किया जा सकता है, 1970 के दशक में उत्पन्न हुआ था। क्वांटम वेल लेजर का पेटेंट 1976 में आर. डिंगल और सी. एच. हेनरी द्वारा किया गया था। विशेष रूप से, क्वांटम कुओं के व्यवहार को एक परिमित कुएँ मॉडल में कण द्वारा दर्शाया जा सकता है। दो सीमा शर्तों का चयन किया जाना चाहिए. पहला यह कि तरंग क्रिया निरंतर होनी चाहिए। अक्सर, दूसरी सीमा स्थिति को तरंग फ़ंक्शन के व्युत्पन्न के रूप में चुना जाता है जो सीमा के पार निरंतर होना चाहिए, लेकिन क्वांटम कुएं के मामले में सीमा के दोनों ओर द्रव्यमान भिन्न होते हैं। इसके बजाय, कण प्रवाह को संरक्षित करने के लिए दूसरी सीमा स्थिति को चुना जाता है $$(1/m) d\phi/dz$$, जो प्रयोग के अनुरूप है। एक बॉक्स में परिमित वेल कण के समाधान को संख्यात्मक रूप से हल किया जाना चाहिए, जिसके परिणामस्वरूप तरंग फ़ंक्शन होते हैं जो क्वांटम वेल के अंदर साइन फ़ंक्शन होते हैं और बाधाओं में तेजी से क्षय होने वाले फ़ंक्शन होते हैं। इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तरों का यह परिमाणीकरण क्वांटम वेल लेजर को पारंपरिक अर्धचालक लेजर की तुलना में अधिक कुशलता से प्रकाश उत्सर्जित करने की अनुमति देता है।

अपने छोटे आकार के कारण, क्वांटम डॉट्स निर्दिष्ट अर्ध-कंडक्टर के थोक गुणों को प्रदर्शित नहीं करते हैं, बल्कि मात्राबद्ध ऊर्जा अवस्थाओं को दर्शाते हैं। इस प्रभाव को क्वांटम कारावास के रूप में जाना जाता है और इसने क्वांटम वेल लेजर जैसे क्वांटम डॉट्स के कई अनुप्रयोगों को जन्म दिया है।

प्रिंसटन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने हाल ही में एक क्वांटम वेल लेजर बनाया है जो चावल के दाने से बड़ा नहीं है। लेज़र एक एकल इलेक्ट्रॉन द्वारा संचालित होता है जो दो क्वांटम बिंदुओं से होकर गुजरता है; एक दोहरा क्वांटम बिंदु. माइक्रोवेव क्षेत्र में फोटॉन उत्सर्जित करते समय इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा की स्थिति से निम्न ऊर्जा की स्थिति में चला जाता है। ये फोटॉन प्रकाश की किरण बनाने के लिए दर्पणों से उछलते हैं; लेजर.

क्वांटम वेल लेजर काफी हद तक प्रकाश और इलेक्ट्रॉनों के बीच परस्पर क्रिया पर आधारित है। यह संबंध क्वांटम मैकेनिकल सिद्धांतों में एक प्रमुख घटक है जिसमें डी ब्रोगली वेवलेंथ और एक बॉक्स में कण शामिल हैं। डबल क्वांटम डॉट वैज्ञानिकों को एक इलेक्ट्रॉन की गति पर पूर्ण नियंत्रण प्राप्त करने की अनुमति देता है जिसके परिणामस्वरूप लेजर बीम का उत्पादन होता है।

क्वांटम बिंदु
क्वांटम डॉट्स अत्यंत छोटे अर्धचालक होते हैं (नैनोमीटर के पैमाने पर)। वे क्वांटम कारावास प्रदर्शित करते हैं जिसमें इलेक्ट्रॉन "डॉट" से बच नहीं सकते हैं, इस प्रकार कण-इन-द-बॉक्स सन्निकटन का उपयोग करने की अनुमति मिलती है। उनके व्यवहार को त्रि-आयामी कण-इन-द-बॉक्स ऊर्जा परिमाणीकरण समीकरणों द्वारा वर्णित किया जा सकता है।

क्वांटम डॉट का ऊर्जा अंतराल उसके संयोजकता और चालन बैंड के बीच का ऊर्जा गैप है। यह ऊर्जा अंतर $$\Delta E(r)$$ थोक सामग्री के अंतराल के बराबर है $$E_{\text{gap}}$$ प्लस ऊर्जा समीकरण व्युत्पन्न कण-इन-ए-बॉक्स, जो इलेक्ट्रॉनों और इलेक्ट्रॉन छिद्र के लिए ऊर्जा देता है। इसे निम्नलिखित समीकरण में देखा जा सकता है, जहाँ $$m^*_e$$ और $$m^*_h$$ इलेक्ट्रॉन और छिद्र के प्रभावी द्रव्यमान हैं, $$r$$ बिंदु की त्रिज्या है, और $$h$$ प्लैंक स्थिरांक है: $$\Delta E(r) = E_{\text{gap}}+\left ( \frac{h^2}{8r^2} \right ) \left( \frac{1}{m^*_e}+\frac{1}{m^*_h} \right)$$ इसलिए, क्वांटम बिंदु का ऊर्जा अंतर "बॉक्स की लंबाई" के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है, अर्थात क्वांटम बिंदु की त्रिज्या।

बैंड गैप का हेरफेर प्रकाश की विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के अवशोषण और उत्सर्जन की अनुमति देता है, क्योंकि ऊर्जा तरंग दैर्ध्य के व्युत्क्रमानुपाती होती है। क्वांटम डॉट जितना छोटा होगा, बैंड गैप उतना ही बड़ा होगा और इस प्रकार अवशोषित तरंग दैर्ध्य उतना ही कम होगा। विभिन्न आकारों के क्वांटम डॉट्स को संश्लेषित करने के लिए विभिन्न अर्धचालक सामग्रियों का उपयोग किया जाता है और इसलिए वे प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य का उत्सर्जन करते हैं। ऐसी सामग्रियां जो आमतौर पर दृश्य क्षेत्र में प्रकाश उत्सर्जित करती हैं, अक्सर उपयोग की जाती हैं और उनके आकार को ठीक किया जाता है ताकि कुछ रंग उत्सर्जित हो सकें। क्वांटम डॉट्स को संश्लेषित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट पदार्थ कैडमियम (सीडी) और सेलेनियम (एसई) हैं। उदाहरण के लिए, जब दो नैनोमीटर सीडीएसई क्वांटम डॉट्स उत्सर्जन स्पेक्ट्रम के इलेक्ट्रॉन, नीली रोशनी उत्सर्जित होती है। इसी प्रकार, चार नैनोमीटर सीडीएसई क्वांटम डॉट्स में लाल रोशनी उत्सर्जित होती है।

क्वांटम डॉट्स में विभिन्न प्रकार के कार्य होते हैं, जिनमें फ्लोरोसेंट डाई, ट्रांजिस्टर, एलईडी, सौर सेल और ऑप्टिकल जांच के माध्यम से चिकित्सा इमेजिंग शामिल हैं, लेकिन इन्हीं तक सीमित नहीं हैं।

क्वांटम डॉट्स का एक कार्य लिम्फ नोड मैपिंग में उनका उपयोग है, जो निकट अवरक्त (एनआईआर) क्षेत्र में प्रकाश उत्सर्जित करने की उनकी अद्वितीय क्षमता के कारण संभव है। लिम्फ नोड मैपिंग सर्जनों को यह ट्रैक करने की अनुमति देती है कि कैंसर कोशिकाएं कहां और कहां मौजूद हैं। क्वांटम डॉट्स इन कार्यों के लिए उज्जवल प्रकाश के उत्सर्जन, विभिन्न प्रकार की तरंग दैर्ध्य द्वारा उत्तेजना और अन्य पदार्थों की तुलना में प्रकाश के प्रति उच्च प्रतिरोध के कारण उपयोगी होते हैं।

सापेक्ष प्रभाव
यदि डिराक समीकरण के माध्यम से सापेक्ष प्रभावों को ध्यान में रखा जाए तो नोड्स पर संभाव्यता घनत्व शून्य नहीं होता है।

यह भी देखें

 * क्वांटम यांत्रिकी का इतिहास
 * परिमित क्षमता अच्छी तरह से
 * डेल्टा फ़ंक्शन क्षमता
 * एक डिब्बे में गैस
 * एक वलय में कण
 * गोलाकार सममित विभव में कण
 * क्वांटम हार्मोनिक ऑसिलेटर
 * अर्धवृत्ताकार क्षमता अच्छी तरह से
 * कॉन्फ़िगरेशन अभिन्न (सांख्यिकीय यांत्रिकी)
 * बलोच का प्रमेय

बाहरी संबंध

 * Configuration integral (statistical mechanics), 2008. this wiki site is down; see this article in the web archive on 2012 April 28.