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 ν0,当用频率 νν>ν0)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 h2m(νν0)。(不考虑相对论效应)

光电子的动能为:

Ek=hνhν0

光电子的动量为:

p=2mEk

光电子的德布罗意物质波波长为:

λ=hp=h2mEk=h2m(hνhν0)=h2m(νν0)

2

已知太阳的平均半径为 R,日地距离为 Rl)。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 P,把太阳当做黑体,则太阳表面的温度 T=Pl2σR24,太阳辐射的峰值波长 λm=bσR2Pl24。(b,σ 分别为维恩常量和斯忒潘常量)

辐射的总功率为:

P=4πl2P

黑体辐射单位面积上的功率为:

P=4πl2P4πR2=Pl2R2=σT4

因此,

T=Pl2σR24

峰值波长为:

λm=bT=bσR2Pl24

3

已知氢原子从能级 n=2 跃迁到能级 n=1 发射的谱线波长为 λ0,则氢原子从能级 n=6 直接跃迁到能级 n=3 发射的谱线波长为 9λ0

可知有能量关系:

hcλ0=E022+E0hcλ=E062+E032

推出 λ=9λ0.

4

在康普顿效应实验中,若散射光波长是入射光波长的 n 倍,则散射光光子能量 ε 与反冲电子动能 Ek 波长之比 ε/Ek=1n1.

根据能量守恒,设入射光子能量为 ε=nε,则:

ε=ε+EkεEk=1n1

5

按照量子力学理论,当氢原子中的电子处于 n=3,l=1,ml=1,ms=1/2 的状态时,它的轨道角动量 L 大小为 22,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 /2(用 表示)。(只有结果分)

L=l(l+1)2=22Lz=m=Sz=ms=/2

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 。(只有结果分)

7

设一维运动粒子的坐标和动量分别为 xp^,则 [p^,eicx]=ceicx。如果 p0p^ 的本征值,相应的本征函数是 ψ0(x)。则 eicxψ0(x) 也是 p^ 的本征函数,对应的本征值为 p0+c

考虑计算:

[p^,F(x)]ψ=ix(F(x)ψ)+F(x)ixψ=i(xF(x))ψ

因此,

[p^,F(x)]=i(xF(x))
[p^,eicx]=ceicx

如果:

p^ψ0=p0ψ0

则:

p^(eicxψ0)=p^(eicx)ψ0+eicxp^(ψ0)=ceicxψ0+p0eicxψ0=(p0+c)ψ0

因此本征值为 p0+c.

注:若 [Q^,Q^+]=Q^+ 成立,则算符 Q^+Q^ 对应的升降算符。

Q^ 本征值为 λ,则 Q^Q^+ 的本征值为 λ+λ.

本题中,p^+=eix,有 [p^,eix]=eix,同理,p^=eix.

二、计算与证明题(80 分)

1

质量为 的粒子在一维势场 V(x)={0,0xa,x<a or x<0 中运动,其波函数为 ψ(x)=Aeiπxa+Bei3πxai 为虚数单位)(题目意思应该是 0xa 时的波函数),求常数 A,B 的值,使得该波函数满足边界条件及归一化条件。

边界条件:

ψ(0)=ψ(a)=0
ψ(0)=A+B=0,ψ(a)=(A+B)=0

归一化条件:分别求归一化常数:

0aψψdx=1
0aA2+B2+2ABcos(2πx/a)=1A2+B2=1a
A=±12a,B=12a

2

设一粒子沿 x 方向运动,其波函数为 Ψ(x)=C1+ixi 为虚数单位),

  1. 由归一化条件定出常数 C

    ΨΨdx=C211+x2dx=C2π=1
    C=1π
  2. 求出此粒子按坐标的概率密度分布;

    ρ=ΨΨ=1π(1+x2)
  3. 在何处概率密度最大?

    需要分母最小时 ρ 最大,即 x=0 处。

3

设体系的哈密顿量 H^ 同力学量 A^ 满足反对易关系 H^A^+A^H^=0。设 ψ 是哈密顿量 H^ 的本征值为 E(0) 的本征函数,

  1. 证明 A^ψH^ 的本征值为 E 的本征函数。

    H^A^ψ+A^H^ψ=0
    H^A^ψ=EA^ψ

    因此 A^ψH^ 的本征值为 E 的本征函数。

  2. A^ 在态 ψ 上的平均值。

    观察到:

    ψ|H^A^|ψ=Eψ|A^|ψψ|A^H^|ψ=Eψ|A^|ψ

    因为

    ψ|H^A^+A^H^|ψ=0,E=E0

    所以 ψ|A^|ψ=0.

    或者使用积分的方法,利用 H^ 的厄密性也是可以的。

4

证明空间反演算符 P^P^ψ(x)=ψ(x))是厄密算符。

+ψP^ψdx=+ψ(x)ψ(x)dx=+ψ(x)ψ(x)dx=+ψ(x)ψ(x)dx=+(P^ψ(x))ψ(x)dx

因此是厄密算符。

5

频率为 ω 的一维谐振子 t=0 时的波函数为:

ψ(x,0)=A[Φ0(x)+3iΦ1(x)+2Φ2(x)]

i 为虚数单位),A 为特定常数,Φn(x) 为谐振子能量本征函数,求

  1. t 时刻的归一化波函数;

    t=0 时刻进行归一化:

    |A|2+|3iA|2+|2A|2=1A=114

    对于第 n 个本征函数,能量本征值为:

    En=2n+12ω

    波函数演化为:

    ψ(x,t)=114[Φ0(x)e12iωt+3iΦ1(x)e32iωt+2Φ2(x)e52iωt]
  2. t 时刻测量能量为 3ω/2 的概率;

    p=|3i14e32iωt|2=914
  3. t 时刻体系的平均能量。

    E=114E1+914E2+414E3=127ω

6

已知角动量算符的三个分量 L^x,L^y,L^z 满足对易关系:

[L^x,L^y]=iL^z,[L^y,L^z]=iL^x,[L^z,L^x]=iL^y

定义 L^2=L^x2+L^y2+L^z2L^±=L^x±iL^y.

  1. 求对易关系 [L^2,L^±],[L^z,L^±],[L^+,L^].

    因为 L^2L^x,L^y,L^z 都对易,所以:

    [L^2,L^±]=[L^2,L^x]±i[L^2,L^y]=0

    [L^z,L^±]=[L^z,L^x]±i[L^z,L^y]=iL^yL^x=(iL^yL^x)=±L^±

    [L^+,L^]=[L^x+iL^y,L^xiL^y]=[L^x,L^x]+[L^y,L^y]+i[L^y,L^x]i[L^x,L^y]=2i[L^x,L^y]=2L^z
  2. L^2L^z 的共同本征函数为球谐函数 Ylm,其中 是相应的量子数,证明 L^±Ylm 也是 L^2L^z 的共同本征函数,并求出相应的本征值。

    因为:

    [L^2,L^±]Ylm=0L^2L^±YlmL^±L^2Ylm=0L^2L^±YlmL^±l(l+1)2YlmL^2L^±Ylm=l(l+1)2L^±Ylm

    所以 L^±YlmL^2 的本征函数,本征值为 l(l+1)2.

    同理

    [L^z,L^±]Ylm=±L^±YlmL^zL^±YlmL^±L^zYlm=±L^±YlmL^zL^±Ylm=(m±)L^±Ylm

    所以 L^±YlmL^z 的本征函数,本征值为 (m±1).

注:L^± 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V(x)={0,0xL,x>Lx<0中运动,粒子能量本征

En=n2π222mL2,(n=1,2,),能量本征函数

ψn={2LsinnπxL,0xL0,x>Lx<0.

t=0 时粒子归一化波函数为 ψ={Ax(Lx),0xL0,x>Lx<0

其中 A,L 已知,求:

  1. 粒子在 ψ(x,0) 态上能量平均值 E.

    E=0Lψ(22m2x2ψ)dx=A22m0Lx(Lx)dx=A22mL36
  2. 粒子在 ψ(x,0) 态上动量的平均值 px,x.

    px=0Lψ(ixψ)dx=A2i0Lx(Lx)(2xL)dx=0
    x=0Lψxψdx=A20Lx2(Lx)2xdx=160A2L6
  3. t=0 时刻动量的方均根偏差 Δpx=p^x2p^x2.

    Δpx=p^x2p^x2p^x2=0Lψ(22x2ψ)dx=2A220Lx(Lx)dx=A22L33Δpx=AL33

8

氢原子能量本征函数为 ψnlml,能量本征值为 En,这里 n 为主量子数, 为角量子数,ml 为磁量子数。在 t=0 时,氢原子的波函数为

ψ(r,0)=110(2ψ100+ψ210+2ψ211+3ψ211)

不考虑自旋。

  1. 写出任意时刻 t 体系的波函数 ψ(r,t)

    ψ(r,t)=210ψ100eiE1t+110ψ210eiE2t+210ψ211eiE2t+310ψ211eiE2t
  2. 求任意时刻 t 体系处于 l=1,ml=1 态的概率;

    |2/10|2=1/5.

  3. 求任意时刻 t 体系处于 ml=0 态的概率;

    |2/10|2+|1/10|2=1/2.

  4. 求任意时刻 t 体系的平均能量,角动量平方算符的平均值及角动量 z 分量算符的平均值。

    平均能量:25E1+35E2

    角动量平方算符的平均值:3522=652.

    角动量 z 分量算符的平均值:15310=110.

9

中子 n 和反中子 n 的质量都是 ,它们的态 |n|n 可以看成是一自由哈密顿量的简并态,即 H^0|n=mc2|n,H^0|n=mc2|n|n,|n 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 H^|n=α|n,H^|n=α|nα 是实数,由此可确定该双态系统总哈密顿量 H^=H^0+H^ 在基 |n,|n 中的矩阵表示为 [mc2ααmc2]。求 t=0 时刻的一个中子在 t 时刻变成反中子的概率。

矩阵的本征值分别为 mc2±α,分别对应本征函数

ψ1=12(|n+|n)ψ2=12(|n|n)

t=0 时刻,

ψ=1|n+0|n=12ψ1+12ψ2

t 时刻,

ψ=12ψ1ei(mc2+α)t+12ψ2eih(mc2α)t

|n 前的系数为:

c=12ei(mc2+α)t12ei(mc2α)t=12eimc2t(eiαteiαt)=ieimc2tsinαt

因此概率为:

|c|2=sin2αt