2022 大学物理 III 期末

填空题

1

满足泡利不相容原理的全同粒子是 费米子;不满足泡利不相容原理的全同粒子是 玻色子。

2

如果算符 F^ 作用于一个函数 ψ,结果等于 ψ 乘上一个常数 λ:F^ψ=λψ,则称常数 λ 为算符 F^ 的 本征值,ψ 称为属于 λ 的 本征函数。

3

量子力学体系中,任意态 ψ(x) 可用某厄密算符所对应的一组完备正交归一本征函数 φn(x) 展开:ψ(x)=∑nanφn(x),则展开式系数 an=∫−∞∞φn∗(x)ψ(x)dx―.

4

质量为 m,电量为 e 的电子从静止开始,经过加速电压 U 的加速后,其德布罗意物质波的波长为 h2meU―(不考虑相对论效应)

λ=hp=h2mEk=h2meU

5

若氢原子处于 n=3,l=2 的激发态,则电子轨道角动量的大小 L=6ℏ―;轨道角动量 L 在外加磁场方向的投影的最大值 LZ=2ℏ―;电子自旋角动量大小 S=32ℏ―.

注:S2 本征值为 34ℏ2,Sz 本征值为 ±12ℏ.

6

设太阳半径为 R,地球到太阳中心的距离为 d。太阳的辐射特性与黑体相近,可近似为黑体。由测量得到太阳辐射谱的峰值波长为 λ,则太阳表面的温度为 b/λ―,其总辐出度为 σb4λ4―,地球表面垂直于阳光方向单位面积单位时间内接收的辐射能为 σb4R2d2λ4―(地球尺寸忽略不计)。(b,σ 分别为维恩常数和斯忒潘常量)

由维恩位移定律,

λT=b⇒T=bλ

由斯特藩-玻耳兹曼定律,

E(T)=σT4=σb4λ4

地球表面垂直于阳光方向单位面积接收到的功率为:

P=4πR2E(T)4πd2=σb4R2d2λ4

7

  1. 在康普顿散射实验中,若用可见光是否能观察到散射光波长变长的现象?不能

    只有当入射波长 𝜆0 与 电子的波长 𝜆𝑐 可比拟时,康普顿效应才显著,因此要用 X 射线才能观察到康普顿散射,用可见光观察不到康普顿散射。

  2. 如图所示,一频率为 ν 的入射光子与“静止”的自由电子发生碰撞和散射。如果散射光子的频率为 v′,其沿 ϕ 角方向运动;反冲电子的动量为 p→,其沿 θ 角方向运动,则在入射光子方向的动量守恒定律的分量形式为 hνc=hν′ccos⁡ϕ+|p→|cos⁡θ―;

8

如图所示,重力场中有一个粒子,质量为 m,相对于地面的高度为 z。以地面为重力势能零点,相关的定态薛定谔方程为:[−ℏ22m∇2+mgz]ψ(r→)=Eψ(r→)―。

9

可用光电效应测定普朗克常数。如先后分别用波长为 λ1 和 λ2 的光做光电效应实验,相应测得其遏止电压为 U1 和 U2,由此可算的普朗克常数为 ecU1−U21/λ1−1/λ2―(电子电量为 e,真空中光速为 c)

h=hν1−hν2ν1−ν2=eU1−eU2c/λ1−c/λ2

10

对易关系 [x2,p^x]=2iℏx―.

[x2,p^x]=x[x,p^x]+[x,p^x]x=2iℏx

也可利用

[p^x,x2]=−iℏ∂∂xx2

11

有一双态系统,如果取正交归一的波函数 φ1,φ2 为基,哈密顿算符用矩阵表示时,其对应矩阵元分别为 H11=E0,H12=H21=0,H22=2E0。当系统初态为 Ψ(t=0)=0.6φ1+0.8φ2 时,则任意时刻波函数 Ψ(t)=0.6ψ1e−iℏE0t+0.8ψ2e−iℏ2E0t―.

计算题

1

已知角动量平方算符 L^2=L^x2+L^y2+L^z2 与 L^x,L^y,L^z 分别对易,且角动量分量算符之间有以下对易关系:

{[L^x,L^y]=ihL^z[L^y,L^z]=ihL^x.[L^z,L^x]=ihL^y

现定义两个算符 F^=L^x+iL^y,G^=L^x−iL^y,试计算如下对易关系 [F^,G^],[L^2,F^] 与 [L^2,G^].

[F^,G^]=i[L^y,L^x]−i[L^x,L^y]=−2i⋅ihL^z=2hL^z
[L^2,F^]=[L^2,L^x]+i[L^2,L^y]=0

同理,[L^2,G^]=0.

2

氢原子处在基态 ψ(r,θ,φ)=1πa03e−r/a0,a0 为玻尔半径,求电子的径向概率密度(径向概率分布函数)、最可几半径(径向概率密度最大值对应的半径)及 1r2 的平均值。

电子的径向概率密度:

ρ=|ψ(r)|2dV=4πr2|ψ(r)|2=4r2a03e−2r/a0

最可几半径:

dρdr=0⇒r=a0

1r2 的平均值:

∫0∞ρ1r2dr=∫0∞4a03e−2r/a0=2a02

3

质量为 m 的微观粒子处于宽度为 a 的一维无限深势阱中,如果粒子的状态由波函数 ψ(x)={Ax(a−x)0≤x≤a0x<0,x>a 描写,A 为已知的归一化常数,求粒子能量的平均值。

⟨E⟩=∫0aψ∗(−ℏ22m∂2∂x2ψ)dx=A2ℏ2m∫0ax(a−x)dx=A2ℏ2ma36

4

已知一量子态的波函数为 Ψ=23Y31(θ,φ)+23Y22(θ,φ)−13Y1−1(θ,φ).

其中球谐函数 Ylm(θ,φ) 是角动量算符 L^2 和 L^z2 的共同本征态,即:

L^2Ylm(θ,φ)=l(l+1)ℏ2Ylm(θ,φ),l=0,1,2⋯L^zYlm(θ,φ)=mℏYlm(θ,φ),m=0,±1,±2,⋯,±l

试求 Ψ 态中角动量平方以及角动量 z 分量的可能取值,相应概率和这两个量的平均值。

对于 L2:

平均值为 74ℏ2/9.

对于 Lz:

平均值为 11ℏ/9.

5

质量为 m 的微观粒子处于宽度为 a 的一维无限深势阱中,粒子的定态波函数为 Φn(x)={2asin⁡nπxa,0≤x≤a0,x<0,x>a,能级为 En=π2ℏ22ma2n2,n=1,2,3,⋯.

假设该粒子 t=0 时处于状态 Ψ(x,0)=A[1+cos⁡(πxa)]sin⁡(πxa).

  1. 写出该波函数的归一化条件,并由此确定归一化常数 A.

    归一化条件为:

    ∫0aΨ(x,0)Ψ∗(x,0)dx=1

    函数可以写作:

    Ψ(x,0)=A[sin⁡(πxa)+12sin⁡(2πxa)]

    积分可得:

    5a8A2=1

    因此

    A=85a

    也可以这样算:

    Aa2⋅2asin⁡1⋅πxa+A2a2⋅2asin⁡2⋅πxa

    系数平方和为 1,即:

    A2a2+A2a8=1⇒A=85a
  2. 求测量粒子能量得到的可能值、相应的概率及能量的平均值;

    测量粒子能量得到的可能值和相应的概率为:

    • E1=π2ℏ22ma2. 概率为 4/5;

    • E2=2π2ℏ2ma2. 概率为 1/5;

    平均值为 E=4π2ℏ25ma2.

  3. 求 t 时刻体系的状态 Ψ(x,t) 及概率密度;

    Ψ(x,t)=Ψ(x,0)e−iℏEt

    概率密度为:

    ρ=Ψ(x,t)Ψ∗(x,t)=Ψ(x,0)Ψ∗(x,0)=85a[1+cos⁡(πxa)]2sin2⁡(πxa)
  4. (2) 中结果是否与时间有关?

    和时间无关。

6

证明:

  1. 厄密算符本征值都是实数;

    设算符 A^ 是厄密算符,则:

    ∫u∗A^vdx=∫(A^u)∗vdx

    设 A^ 对应的本征值为 λ,本征函数为 ψ.

    λ=∫ψ∗A^ψdx=∫(A^ψ)∗ψdx=∫(λψ)∗ψdx=λ∗

    因此本征值都是实数。

  2. 厄密算符属于两个不同本征值的本征函数相互正交。

    设本征值 λ1 对应的本征函数是 ψ1,不同本征值 λ2 对应的本征函数是 ψ2.

    观察到:

    λ2∫ψ1∗ψ2dx=∫ψ1∗A^ψ2dx=∫(A^ψ1)∗ψ2dx=λ1∫ψ1∗ψ2dx

    因为 λ2≠λ1,所以只能 ∫ψ1∗ψ2dx=0,因此正交。

7

求氨分子等价双态系统哈密顿矩阵 H=[E0−A−AE0] 的本征态和本征矢。

  1. 本征值 E=E0+A,本征矢 12[1−1].

  2. 本征值 E=E0−A,本征矢 12[11].