2023 大学物理 III 期末
一、填空题(20 分)
1
从某金属产生光电效应的红限频率为 ,当用频率 ()的单色光照射该金属时,从金属中逸出光电子(质量 )的德布罗意物质波波长为 。(不考虑相对论效应)
光电子的动能为:
光电子的动量为:
光电子的德布罗意物质波波长为:
2
已知太阳的平均半径为 ,日地距离为 ()。实验测得太阳垂直辐射到地球大气层外表面单位面积的功率为 ,把太阳当做黑体,则太阳表面的温度 ,太阳辐射的峰值波长 。( 分别为维恩常量和斯忒潘常量)
辐射的总功率为:
黑体辐射单位面积上的功率为:
太阳 因此,
峰值波长为:
3
已知氢原子从能级 跃迁到能级 发射的谱线波长为 ,则氢原子从能级 直接跃迁到能级 发射的谱线波长为 。
可知有能量关系:
推出 .
4
在康普顿效应实验中,若散射光波长是入射光波长的 倍,则散射光光子能量 与反冲电子动能 波长之比 .
根据能量守恒,设入射光子能量为 ,则:
5
按照量子力学理论,当氢原子中的电子处于 的状态时,它的轨道角动量 大小为 ,轨道角动量在外磁场的投影为 ,自旋角动量在外磁场方向的投影为 (用 表示)。(只有结果分)
6
宽度相同的无限深势阱与有限深势阱进行比较,无限深势阱基态能量比有限深势阱基态能量 高。(只有结果分)
7
设一维运动粒子的坐标和动量分别为 和 ,则 。如果 是 的本征值,相应的本征函数是 。则 也是 的本征函数,对应的本征值为 。
考虑计算:
因此,
如果:
则:
因此本征值为 .
注:若 成立,则算符 是 对应的升降算符。
若 本征值为 ,则 的本征值为 .
本题中,,有 ,同理,.
二、计算与证明题(80 分)
1
质量为 的粒子在一维势场 中运动,其波函数为 ( 为虚数单位)(题目意思应该是 时的波函数),求常数 的值,使得该波函数满足边界条件及归一化条件。
边界条件:
归一化条件:分别求归一化常数:
2
设一粒子沿 方向运动,其波函数为 ( 为虚数单位),
由归一化条件定出常数 ;
求出此粒子按坐标的概率密度分布;
在何处概率密度最大?
需要分母最小时 最大,即 处。
3
设体系的哈密顿量 同力学量 满足反对易关系 。设 是哈密顿量 的本征值为 的本征函数,
证明 是 的本征值为 的本征函数。
因此 是 的本征值为 的本征函数。
求 在态 上的平均值。
观察到:
因为
所以 .
或者使用积分的方法,利用 的厄密性也是可以的。
4
证明空间反演算符 ()是厄密算符。
因此是厄密算符。
5
频率为 的一维谐振子 时的波函数为:
( 为虚数单位), 为特定常数, 为谐振子能量本征函数,求
时刻的归一化波函数;
时刻进行归一化:
对于第 个本征函数,能量本征值为:
波函数演化为:
时刻测量能量为 的概率;
时刻体系的平均能量。
6
已知角动量算符的三个分量 满足对易关系:
定义 ,.
求对易关系 .
因为 与 都对易,所以:
而
而
和 的共同本征函数为球谐函数 ,其中 和 是相应的量子数,证明 也是 和 的共同本征函数,并求出相应的本征值。
因为:
所以 是 的本征函数,本征值为 .
同理
所以 是 的本征函数,本征值为 .
注: 为升降算符。
7
gwh的小测题目还是,直接 copy 过来了
质量为 的粒子在一维势场或中运动,粒子能量本征
值 ,能量本征函数
或
设 时粒子归一化波函数为 或
其中 已知,求:
粒子在 态上能量平均值 .
粒子在 态上动量的平均值 .
时刻动量的方均根偏差 .
8
氢原子能量本征函数为 ,能量本征值为 ,这里 为主量子数, 为角量子数, 为磁量子数。在 时,氢原子的波函数为
不考虑自旋。
写出任意时刻 体系的波函数 ;
求任意时刻 体系处于 态的概率;
为 .
求任意时刻 体系处于 态的概率;
为 .
求任意时刻 体系的平均能量,角动量平方算符的平均值及角动量 分量算符的平均值。
平均能量:;
角动量平方算符的平均值:.
角动量 分量算符的平均值:.
9
中子 和反中子 的质量都是 ,它们的态 和 可以看成是一自由哈密顿量的简并态,即 , 满足正交归一条件。设有某种相互作用可以使中子和反中子相互转变,即 , 是实数,由此可确定该双态系统总哈密顿量 在基 中的矩阵表示为 。求 时刻的一个中子在 时刻变成反中子的概率。
矩阵的本征值分别为 ,分别对应本征函数
在 时刻,
在 时刻,
前的系数为:
因此概率为: