【第２話】自由粒子のスナップショット【Pythonコピペで量子力学完全攻略マニュアル】

#################################################################
## 自由粒子の固有関数（E = 0.25[eV], 1.0[eV], 4.0[eV]）
#################################################################
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#図全体
fig = plt.figure(figsize=(15, 8))
#全体設定
plt.rcParams['font.family'] = 'Times New Roman' #フォント
plt.rcParams['font.size'] = 24 #フォントサイズ
plt.rcParams["mathtext.fontset"] = 'cm' #数式用フォント
#カラーリストの取得
colors = plt.rcParams['axes.prop_cycle'].by_key()['color']
#虚数単位
I = 0.0 + 1.0j

#################################################################
## 物理定数
#################################################################
#プランク定数
h = 6.62607015 * 1.0E-34
hbar = h / (2.0 * np.pi)
#電子の質量
me = 9.1093837015 * 1.0E-31
#電子ボルト
eV = 1.602176634 * 1.0E-19

#################################################################
## 物理系の設定
#################################################################
#電子のエネルギー
E1 = 1.0 * eV
E2 = 0.25 * eV
E3 = 4.0 * eV
#波数
k1 = np.sqrt(2.0 * me * E1 / hbar**2)
k2 = np.sqrt(2.0 * me * E2 / hbar**2)
k3 = np.sqrt(2.0 * me * E3 / hbar**2)
#空間刻み間隔
dx = 1E-9
#描画範囲
x_min = -2.0 * dx
x_max =  2.0 * dx
#描画区間数
NX = 500

#座標点配列の生成
x = np.linspace(x_min, x_max, NX)
#平面波の計算
phi1 = np.exp( I * k1 * x )
phi2 = np.exp( I * k2 * x )
phi3 = np.exp( I * k3 * x )

#グラフの描画（固有関数）
plt.title( u"自由粒子の固有関数（" + r"$ E = 0.25, 1.0, 4.0[{\rm eV}] $" + u"）", fontsize=20, fontname="Yu Gothic", fontweight=1000)
plt.xlabel(r"$ x\, [{\rm nm}]$ ", fontsize=30)
plt.ylabel(r"$ {\rm Re}\{\varphi(x)\} $", fontsize=30)

#罫線の描画
plt.grid(which = "major", axis = "x", alpha = 0.8, linestyle = "-", linewidth = 1)
plt.grid(which = "major", axis = "y", alpha = 0.8, linestyle = "-", linewidth = 1)

#描画範囲を設定
plt.xlim([x_min/dx, x_max/dx])
plt.ylim([-1.1, 1.1])

#グラフの描画
plt.plot(x/dx, phi1.real, linestyle='solid', linewidth = 5)
plt.plot(x/dx, phi2.real, linestyle='solid', linewidth = 5)
plt.plot(x/dx, phi3.real, linestyle='solid', linewidth = 5)

#余白の調整
plt.subplots_adjust(left = 0.1, right = 0.98, bottom=0.15, top = 0.95)

#グラフの表示
plt.show()