방정식이 물질파의 행동을 결정한다.
물질파는 줄의 파동이나 음파와 같은 파동이기는 하지만 파동방정식의 형태는 다르다. 보통의 파동에 대한 파동방정식은 다음과 같이 시간이나 공간에 대해 2차 미분으로 주어진다. ∂2Φ∂x2=1v2∂2Φ∂t2 여기서 Φ는 보통의 역학적인 파동의 파동함수이다. 이 방정식을 만족하는 일반해는 파동의 형태와 관계없이 동일한 속도 v로 이동한다.
그러나 물질파의 경우에는 파장이 운동량과 관련되어 있고, 또한 운동량은 입자의 속력과 관련되어 있으므로 파장에 따라 진행속도가 다르게 주어져야 한다. 그렇다면 물질파의 행동을 지배하는 파동방정식은 어떠해야 할까?
우선 다음의 평면파를 고려하자. 물질파의 파동함수 Ψ는 역학적 파동함수 Φ와 달리 일반적으로 복소수이므로 복소수의 평면파를 도입하는 것이 자연스럽다. Ψ(x,t)=Ψ0ei(kx−ωt) 이 파에 대해 물질파의 분산관계식과 ℏ를 곱해보면, [ω=ℏ2mk2]×ℏ×Ψ(x,t) ⟶ ωℏΨ(x,t)=ℏ22mk2Ψ(x,t)
한편 iℏ∂Ψ(x,t)∂t=ωℏΨ(x,t) −ℏ22m∂2Ψ(x,t)∂x2=ℏ22mk2Ψ(x,t) 따라서 다음 등식이 성립한다. iℏ∂Ψ(x,t)∂t=−ℏ22m∂2Ψ(x,t)∂x2 이 방정식은 이를 유도하는 과정에서 도입한 평면파의 ω나 k에 무관한 꼴이므로 모든 평면파에 대해 성립한다. 따라서 이들 평면파의 적절한 중첩으로 표현할 수 있는 일반적인 파동이 이 방정식을 역시 만족하게 된다. 즉, 파동의 행동을 결정짓는 파동방정식이 유도된 것이다.
이제 역으로 공간에 대해 eikx의 꼴을 하고 있는 파동함수가 시간에 따라 어떻게 변해야 하는지를 알아보자. 이 파동함수가 다음과 같이 시간항을 독립적으로 가진다고 가정하면 Ψ(x,t)=Ag(t)eikx 으로 놓을 수 있고, 이를 앞에서 구한 파동방정식에 대입하여 g(t)에 대한 식을 구하면 dg(t)dt=iℏk22mg(t) 이다. 그러므로 g(t)=exp(−iℏk22mt) 이고, 파수 k의 평면파의 파동함수를 시간에 의존하는 형태를 포함하여 온전하게 표현하면 Ψ(x,t)=Aexp[i(kx−ℏk22mt)] 이다. 이 평면파는 파수 k에 비례하는 속도 ℏk2m로 움직인다. 이 위상속도(파동속도)는 고전입자의 속도(즉 군속도)의 반이라는 앞서의 결과로 되돌아 간다.
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