PARTICLE IN THREE DIMENSIONAL BOX

Consider a particle of mass (m) moving inside a three dimensional box along x, y, z axis upto a, b, c respect to the inside the box the potential energy of the particle is zero.

The fundamental schrodinger's equation is,

∂²ψ +    8π²m    (E−V) ψ = 0  .................. (1)
               h²

The laplacian operator is, 

∇² =   ∂²  +   ∂²  +   ∂² 
         ∂x²      ∂y²     ∂z²

Moreover for the particle inside the box,
The potential energy is zero [ V=0 ]
Therefore, 

 ∂²ψ   +  ∂²ψ   +  ∂²ψ  +  8π²m  E−ψ = 0..(2)
∂x²        ∂y²         ∂z²         h²

The wave function ψ is a function of x, y, z. This ψ cannot be solved directly but it can be solved using separation of variables method.

ψ (x, y, z) = Xx. Yy. Zz......................... (3)

Here,    X= f(x)
             Y= f(y) 
             Z=f(z) 

Differentiating equation (3) write x, 

 ∂ ψ  = YZ  ∂x 
 ∂x             ∂x

Again differentiating write x, 

 ∂²ψ   = YZ  ∂²X   , similarly
∂x²              ∂x²

 ∂²ψ  = XZ    ∂²y  
 ∂y²               ∂y²

 ∂²ψ  = XY   ∂²z  
 ∂z²              ∂z²

Eqution   (2) becomes,

YZ  ∂²x  + XZ  ∂²y  + XY  ∂²z  +  8π²mEψ  =0
      ∂x²            ∂y²             ∂z²          h²

Dividing the above eqution by XYZ

 1    ∂²x  +  1   ∂²y  +  1   ∂²z  =  8π²mEψ  (4)
 x    ∂x²       y   ∂y²      z   ∂z²          h²
let,
 1   ∂²x  = −∝₁² ; 1   ∂²y  = −∝²₂; 1   ∂²z  =−∝₃²
 x   ∂x²                y  ∂y²               z   ∂z²

−∝₁² −∝²₂−∝₃²     =  8π²mEψ   
                                    h²

−(∝²₁ + ∝²₂ + ∝²₃) = −  8π²mEψ   
                                        h²

∝²₁ + ∝²₂ + ∝₃²  =   8π²mEψ     ........(5)
                                   h²
Since, 

 1     ∂²x  = − ∝²₁
 x     ∂x²
(or)

 ∂²x  = − ∝₁²x
∂x²
(or)

 ∂²x   + ∝²₁ x = 0 ...................(6)
∂x²

This equation is similar to the problem of the particles in one dimensional box. 
For this problem the solutions are already known. 
Solution of equation (5) is, 

Xx = √2/a sin ( nx π) x
                            a

Similarly, 
Yy = √2/b  sin ( nyπ   ) y
                            b

Zz = √2/c  sin ( nzπ  ) z
                             c
Therefore, 
Equation (3) becomes 

ψ = √ 8  sin ( nxπ)x.sin(nyπ) y.sin (nzπ) z
        abc          a                b                 c
....................(7)

Using the solution of the particle in one dimensional box the ∝ values are defined as, 

∝₁ = nxπ  
         a

∝₂ = nyπ  
        b

∝₃ =  nzπ   
         c
Equation (5) becomes, 

 nx²π²  +  ny²π²  +  nz²π²   =  8π²mE 
   a²            b²            c²             h²


π² [ nx²  +  ny²  +  nz²  ] =  8π²mE  
       a²        b²        c²            h²

E=(nx²  +  ny²  +  nz²   h²   ..............(8)
      a²        b²        c²       8m

This equation gives the energy of the particle inside the three dimensional box. 

Summary :-

Eigen function ;

ψ(x,y, z) = √  8  sin ( nxπ)x. sin( nyπ) y. sin
                     ʋ             a                  b
( nzπ  ). z
    c

[ ʋ = a,b,c ]

Eigen value ;

E=(nx²  +  ny²  +  nz²  )  h²  
      a²        b²        c²       8m
        

1 comment:

Thanks for reading