Let's solve the (stationnary) Schrodinger equation in three consecutive domains : before the barrier, in the barries, after the barrier :
− ℏ 2 2 m ψ ′ ′ = E ψ , ψ = A i e i k x + A r e − i k x -\frac{\hbar^2}{2m} \psi'' = E \psi , \psi = A_i e^{ikx}+A_re^{-ikx} − 2 m ℏ 2 ψ ′′ = E ψ , ψ = A i e ik x + A r e − ik x , k = 2 m E / ℏ k = \sqrt{2mE}/\hbar k = 2 m E /ℏ − ℏ 2 2 m ψ ′ ′ = − ( U − E ) ψ , ψ = B i e χ x + B r e − χ x -\frac{\hbar^2}{2m} \psi'' = -(U-E)\psi, \psi = B_i e^{\chi x} + B_r e^{-\chi x} − 2 m ℏ 2 ψ ′′ = − ( U − E ) ψ , ψ = B i e χ x + B r e − χ x , χ = 2 m ( U − E ) / ℏ \chi = \sqrt{2m(U-E)}/\hbar χ = 2 m ( U − E ) /ℏ − ℏ 2 2 m ψ ′ ′ = E ψ , ψ = C i e i k x + C r e − i k x -\frac{\hbar^2}{2m} \psi'' = E\psi, \psi = C_i e^{ikx} + C_r e^{-ikx} − 2 m ℏ 2 ψ ′′ = E ψ , ψ = C i e ik x + C r e − ik x Now by using the continuity of ψ \psi ψ and ψ ′ \psi' ψ ′ , and taking A i = 1 A_i=1 A i = 1 (as the particle is incident on the barrier) and C r = 0 C_r=0 C r = 0 (as no particle comes from the other side) we get a set of equations :
{ 1 + A r = B i + B r i k − A r i k = χ B i − χ B r B i e χ a + B r e − χ a = C i e i k a B i χ e χ a − χ B r e − χ a = i k C i e i k a \begin{cases} 1 + A_r = B_i + B_r \\ ik-A_r ik = \chi B_i - \chi B_r \\B_i e^{\chi a}+B_r e^{-\chi a} = C_i e^{ika} \\ B_i \chi e^{\chi a}-\chi B_r e^{-\chi a} = ikC_i e^{ika} \end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ 1 + A r = B i + B r ik − A r ik = χ B i − χ B r B i e χ a + B r e − χ a = C i e ika B i χ e χ a − χ B r e − χ a = ik C i e ika
From the first pair of equations we get 2 i k = ( χ + i k ) B i − ( χ − i k ) B r 2ik = (\chi +ik)B_i - (\chi-ik)B_r 2 ik = ( χ + ik ) B i − ( χ − ik ) B r and thus B i = 2 i k + ( χ − i k ) B r χ + i k B_i = \frac{2ik+(\chi-ik)B_r}{\chi + ik} B i = χ + ik 2 ik + ( χ − ik ) B r . We get a system :
{ 2 i k χ + i k e χ a + B r ( e − χ a + χ − i k χ + i k e χ a ) = C i e i k a 2 i k χ χ + i k e χ a − χ ( e − χ a − χ − i k χ + i k e χ a ) B r = i k C i e i k a \begin{cases} \frac{2ik}{\chi+ik} e^{\chi a} + B_r(e^{-\chi a}+\frac{\chi - ik}{\chi+ik}e^{\chi a})=C_i e^{ika} \\ \frac{2ik \chi}{\chi+ik} e^{\chi a} - \chi(e^{-\chi a}-\frac{\chi - ik}{\chi+ik}e^{\chi a})B_r=ikC_i e^{ika} \end{cases} { χ + ik 2 ik e χ a + B r ( e − χ a + χ + ik χ − ik e χ a ) = C i e ika χ + ik 2 ik χ e χ a − χ ( e − χ a − χ + ik χ − ik e χ a ) B r = ik C i e ika
From this we find χ C i e i k a ( e − χ a − χ − i k χ + i k e χ a ) + i k C i e i k a ( e − χ a + χ − i k χ + i k e χ a ) = 2 2 i k χ χ + i k \chi C_i e^{ika}(e^{-\chi a}-\frac{\chi - ik}{\chi+ik}e^{\chi a})+ik C_i e^{ika}(e^{-\chi a}+\frac{\chi - ik}{\chi+ik}e^{\chi a}) = 2\frac{2ik\chi}{\chi+ik} χ C i e ika ( e − χ a − χ + ik χ − ik e χ a ) + ik C i e ika ( e − χ a + χ + ik χ − ik e χ a ) = 2 χ + ik 2 ik χ and thus, finally
C i = 4 i k χ e − i k a ( χ + i k ) ( χ e − χ a − ( χ − i k ) 2 χ + i k e χ a + i k e − χ a ) C_i = \frac{4ik\chi e^{-ika}}{(\chi+ik)(\chi e^{-\chi a}-\frac{(\chi-ik)^2}{\chi+ik}e^{\chi a}+ike^{-\chi a})} C i = ( χ + ik ) ( χ e − χ a − χ + ik ( χ − ik ) 2 e χ a + ik e − χ a ) 4 ik χ e − ika , C i = 4 i k χ e − i k a ( χ + i k ) 2 e − χ a − ( χ − i k ) 2 e χ a = 2 i k χ e − i k a − ( χ 2 − k 2 ) sinh ( χ a ) + 2 i k χ cosh ( χ a ) C_i = \frac{4ik\chi e^{-ika}}{(\chi+ik)^2e^{-\chi a} - (\chi-ik)^2 e^{\chi a}}=\frac{2ik\chi e^{-ika}}{-(\chi^2-k^2)\sinh(\chi a)+2ik\chi \cosh(\chi a)} C i = ( χ + ik ) 2 e − χ a − ( χ − ik ) 2 e χ a 4 ik χ e − ika = − ( χ 2 − k 2 ) s i n h ( χ a ) + 2 ik χ c o s h ( χ a ) 2 ik χ e − ika , C i = e − i k a cosh ( χ a ) + i χ 2 − k 2 2 k χ sinh ( χ a ) C_i = \frac{e^{-ika}}{\cosh(\chi a) +i\frac{\chi^2-k^2}{2k\chi}\sinh(\chi a)} C i = c o s h ( χ a ) + i 2 k χ χ 2 − k 2 s i n h ( χ a ) e − ika
Thus T = ∣ C i ∣ 2 = 1 cosh 2 ( χ a ) + ( χ 2 − k 2 ) 2 4 k 2 χ 2 sinh 2 ( χ a ) = 1 1 + ( χ 2 + k 2 ) 2 4 k 2 χ 2 sinh 2 ( χ a ) T = |C_i|^2 = \frac{1}{\cosh^2(\chi a)+\frac{(\chi^2-k^2)^2}{4k^2\chi^2}\sinh^2(\chi a)} = \frac{1}{1+\frac{(\chi^2+k^2)^2}{4k^2\chi^2}\sinh^2(\chi a)} T = ∣ C i ∣ 2 = c o s h 2 ( χ a ) + 4 k 2 χ 2 ( χ 2 − k 2 ) 2 s i n h 2 ( χ a ) 1 = 1 + 4 k 2 χ 2 ( χ 2 + k 2 ) 2 s i n h 2 ( χ a ) 1 , T = 1 1 + ( ( U − E ) + E ) 2 4 E ( U − E ) sinh 2 ( χ a ) = 1 1 + U 2 4 E ( U − E ) sinh 2 ( χ a ) T=\frac{1}{1+ \frac{((U-E)+E)^2}{4E(U-E)}\sinh^2(\chi a)} = \frac{1}{1+\frac{U^2}{4E(U-E)}\sinh^2(\chi a)} T = 1 + 4 E ( U − E ) (( U − E ) + E ) 2 s i n h 2 ( χ a ) 1 = 1 + 4 E ( U − E ) U 2 s i n h 2 ( χ a ) 1
When U 2 E ( U − E ) sinh 2 ( χ a ) ≫ 1 \frac{U^2}{E(U-E)}\sinh^2(\chi a)\gg 1 E ( U − E ) U 2 sinh 2 ( χ a ) ≫ 1 (wide, tall barrier) we get T ∼ 16 E U ( 1 − E U ) e − 2 χ a T\sim 16\frac{E}{U}(1-\frac{E}{U})e^{-2\chi a} T ∼ 16 U E ( 1 − U E ) e − 2 χ a
Comments