电磁波与光子

光的不相符实验

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PMtPMr 中间每次只有其中一个,而不是同时两个,探测到光子到达。(光的粒子性)

单光子的杨氏干涉实验

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表现了几个光子之间存在某种“相互作用”。(光的波动性)

单光子的广角度干涉实验

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光的波粒二象性 光子的波函数

波函数, 概率幅与概率

波函数的乘积与叠加

波函数的乘积: 如果一个事件的发生过程可以看成是 分几步发生, 比如光的不相符实验中光子先从光源到达分光器, 再从分光器到达光电倍增管, 则波函数应该是每一步对应的波函数的乘积.

波函数的叠加性: 如果一个事件的发生是可以 通过多种途径发生, 比如双缝实验中测量光子出现在某个位置, 则波函数应该是所有可能途径的波函数的叠加:

实物粒子与物质波

德布罗意的物质波假说

爱因斯坦提出的光子的能量和频率之间的关系式对电子那样的物质粒子依然成立,称为德布罗意关系:

E=hν,p=hλ

例题 已知电子的德布罗意波长等于其康普顿波长 λc=h/m0c 的一半,它的质量与其静止质量之比为多少?

λ=hp=12hm0c

p=2m0c,可得:

mm0=(m0c2)2+c2p2m0c2=5

德布罗意关系的合理性

物质波假说的实验验证

实物粒子的波粒两象性

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电子的双缝实验

类比具有确定频率的光子, 具有确定动量与能量的自由粒子的波函数为平面波

ψ(x,t)=Aei(kxωt)

德布罗意关系:

k=2πλp=hλ=kE=hν=ω

具有确定动量 p 与能量 E 的自由粒子的波函数:

ψ(x,t)=Aei(pxEt)

 

波函数

玻恩的统计诠释

粒子的状态由 ψ(x) 描述。粒子出现在位置 𝑥 处的位置 概率振幅 就是波函数 ψ(x)

波函数满足的条件

例题:归一化

Ψ(x)={Nx(1x),0<x<L0,x0,xLN=30L5

薛定谔方程

含时的薛定谔方程:

22m2ψx2=iψt

如果粒子处于势场 𝑉(𝑥,𝑡),则:

E=p22m+V(x,t)

其中 2 是拉普拉斯算子:

2=2x2+2y2+2z2

定态薛定谔方程

若微观粒子处在稳定的势场中,则势能函数 V(r) 与时间无关,称这类问题为定态问题。此时,薛定谔方程可以通过分离变量法求解。设 Ψ(r,t)=ψ(r)T(t),可得:

idT(t)dt=ET(t)

其中解得时间振动因子:

T(t)eiEt

——只和时间、能量有关。

定态薛定谔方程

[22md2dx2+V(x)]ψ(x)=Eψ(x)

可见能量 E 只由势场的分布 V(x) 和具体的 ψ(x) 有关,而与 t 无关。

定态含时波函数 Ψ(r,t) 满足:

Ψ(r,t)=ψ(r)eiEt

含时薛定谔方程的一般解是定态波函数的叠加:

Ψ(x,t)=ECEΨE(r,t)=ECEψE(r)eiEt

其中按照 E 的不同分类讨论,CE 为叠加系数,为常复数。

定义 概率流密度 ȷ 为粒子单位时间内通过单位面积的概率,

ȷ=i2m(ψψψψ)ȷ=ρtρt+ȷ=0

与电荷守恒的微分形式类比, 上式为概率守恒 (粒子数守恒) 的微分形式.

概率守恒 (粒子数守恒)

在空间中任意选取一个闭合曲面 S,曲面内的粒子数目的减少的速率等于由内向外通过曲面的速率.

ΩρtdV=Ω(ȷ)dV=SȷdS

例题:求以下一维平面波的概率流密度

ψ=Aei(pxEt)

解得:

j=i2m(ψψxψψx)=i2m2|A|2ip=|A|2pm

位置与动量的期待值

位置的期待值与不确定度

根据波函数的定义,

x=x|ψ(x)|2dxf(x)=f(x)|ψ(x)|2dx

位置的标准差在量子力学中称为位置的不确定度 σx(或 Δx

σx=x2x2

动量的期待值与不确定度

根据 Ehrenfest 定理:量子力学在适当的极限情况下应与经典物理相符, 所以应该有

p=mdxdt

根据薛定谔方程,

dxdt=ddtψxψdx=ψtxψdx+ψxψtdx=i2m2x2ψxψdxi2mψx2x2ψdx=1mψ(i)xψdx

可得:

p=ψ(ix)ψdx

位置算符与动量算符

A=ψA^ψdx

位置算符 x^

x^ψ(x)=xψ(x)

动量算符 p^

p^ψ(x)=iψ(x)x

矢量算符的定义

算符 A^ 的函数 f(A^) 称为 算符函数

f(A^)=f(0)+f1!A^+f2!A^2++f(n)n!A^n

如果 f(x) 是多项式函数,情况简单一些,例如:

经典物理中动能 Ek=p22m动能算符 K^

K^=p^22m
K^ψ(x)=22m2x2ψ(x)

经典物理中势能函数 V(x)势能算符 V^

V^ψ(x)=V(x)ψ(x)

哈密顿算符 H^

H^=K^+V^

能量算符 E

E=it

薛定谔方程可以表示为:

H^ψ(x)=Eψ(x)

定态薛定谔方程是哈密顿算符的本征方程,ψ(x) 是哈密顿算符 H^ 的本征函数,E 是哈密顿算符 H^ 的本征值。

可以解释能量的量子化的条件: 哈密顿算符 H^ 的本征值只允许取某些分立的值。

可得,能量的期待值:

E=ψH^ψdx

时间演化算符

描写体系状态的波函数 Ψ 随时间变化的规律满足薛定谔方程:

iΨt=H^Ψ(t)

求时间演化算符 U^(t),使得

Ψ(t)=U^(t)Ψ(0)

因此,有;

iU^(t)tΨ(0)=H^U^(t)Ψ(0)

满足

U^(t)=eitH^

当存在本征值 E,时间演化算符为

eitE

位移算符

eax

作用于 ψ(x) 后,可得(用泰勒展开)

eaxψ(x)=ψ(x+a)

一维定态问题

无限深势阱

V(x)={0x[0,L]+其他

求解波函数的一般步骤:

  1. 列定态薛定谔方程;

  2. 将方程化为微分方程形式,求解微分方程;

  3. 通过波函数的性质(连续性、归一化条件)确定微分方程中的参数。

ψ(x)={2LsinnπxLx[0,L]0其他

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无限深势阱的能量

通过标红的两式,可得能量本征值为:

En=k222m=n2π222mL2

能量取分立值(能级), 即能量量子化,n=1,2,,称为 量子数

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E1=π222mL2,En=n2E1

E1>0,又称为零点能,说明粒子不是经典的粒子,不可能静止。

一维束缚态的一般性质

有限深势阱

有限深势阱的势能:

V(x)={V0|x|>a0|x|<a

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所以:

{d2ψdx2+2mE2ψ=0,|x|<ad2ψdx2+2m2(EV0)ψ=0,|x|>a

k2=2mE2,k2=2m(V0E)2.

则:

d2ψdx2+k2ψ=0|x|<ad2ψdx2k2ψ=0|x|>a

解为:

ψ=Asin(kx+δ)x∣<aψ=Bekx+Cekxx∣>a

A,B,C,δ 为待定常数。

因为波函数平方可积,在 |x| 时不发散,|x|>a 的解可以分成:

ψ=Bekxx>aψ=Cekxx<a

因为 ψ(x) 连续,可得:

k,k,a 都是给定的,所以可以把 δ 求出。

由上两式有 cot(ka+δ)=cot(ka+δ)δ 有两组解

δ={nπ(n+12)π,n=0,±1,±2,

之后都是周期性的,所以取 n=0 即可,δ=0π/2.


δ=0 时,

ψ={Asinkxx∣<aBekxx>aCekxx<a

可以推出 B=C,因此

ψA={Asinkx|x|<aBekxx>aBekxx<a

奇宇称反对称波函数,关于原点反对称。


δ=π2 时,

ψS={Acoskx|x|<aBekxx>aBekxx<a

偶宇称对称波函数,关于原点对称。

波函数中常数 A,B 可由连接条件以及波函数归一化条件定出

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练习题 质量为 m 的粒子在势能为 U(x)={,x<00,0x<aU0,x>a 的场中运动,写出 0<E<U0 时三个区域定态薛定谔方程及边界条件。

薛定谔方程:

22md2dx2ψ+U(x)ψ=Eψ

依此代入即可。

边界条件:

一维谐振子

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哈密顿算符:

H^=p^22m+12mω2x2

定态薛定谔方程:

(22md2dx2+12mω2x2)ψ(x)=Eψ(x)

引入无量纲量

ξ=αx,α=mω,λ=E12ω

则:

d2ψdξ2+(λξ2)ψ=0

ξ±(相当于 x± 时)

d2ψdξ2ξ2ψ=0

渐进解:

ψe±12ξ2

满足物理边界条件(平方可积)的解:

ψe12ξ2

ψ=e12ξ2u(ξ). 代入定态薛定谔方程有:

d2udξ22ξdudξ+(λ1)u=0

设(待定系数法):

u(ξ)=k=0ckξk

可得:

cj+2=2j(λ1)(j+2)(j+1)cj,j=0,1,2,

即系数递推关系式.

所有偶次幂系数都可以 c0 表示;所有奇次幂系数都可以c1表示,其中 c1,c0 任意。

因此,方程有二个线性无关的解

u1(ξ)=c0+c2ξ2+c4ξ4+
u2(ξ)=c1ξ+c3ξ3+c5ξ5+

这两个解在 ξ 取有限值时都收敛,考察当 |ξ| 时是否收敛?

如果级数无限,

但是 ψ=e12ξ2u(ξ)ξψ 发散。

所以若 ξ 满足束缚态条件,则级数必须截断为多项式。根据

cj+2=2j(λ1)(j+2)(j+1)cj,j=0,1,2,

λ=2n(n=0,1,2,) 时,系数 cn+2,cn+4,cn+6, 都为零。(分类 n 奇偶性)

而能量 E=12λω=(n+12)ω. 可得:

λ=E12ω

对应能量本征函数:

ψn(x)=NnHn(ξ)e12ξ2

归一化后:

ψn(x)=(mωπ)1412nn!Hn(ξ)e12ξ2

Hn(ξ) 为厄米 (Hermite) 多项式。

满足的性质:

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α=mω,则 ψ0,1,2(x) 可以表示为:

ψ0(x)=(απ)1/2e12α2x2ψ1(x)=(α2π)1/22(αx)2e12α2x2ψ2(x)=(α8π)1/2[24(αx)2]e12α2x2

例题 当谐振子处于基态时,在经典物理不允许存在的范围内测量到粒子的概率是多大?

经典物理只能允许势能小于等于总能量:

V(x0)=12mω2x02=E=12ω

例题 求一维谐振子势能的平均值和动能的平均值。

和经典物理中的结论一样,T=U=12E.

例题

定义:升降算符

已知某个算符 Q^,若能找到另一个算符 Q^+,使得 [Q^,Q^+]=hQ^+ 成立(h 是大于零的实数),这个算符就是 Q^ 对应的升算符。

同理,若有 Q^ 使得 [Q^,Q^]=hQ^ 成立,这个算符就是对应的降算符。

对易关系定义的升降算符,作用于算符 Q^,相当于将 Q 对应的本征值变为更大/更小

证明如下:

Q^(Q^±ψ)=[Q^,Q^±]ψ+Q^±Q^ψ=±hQ^±ψ+λQ^±ψ=(λ±h)(Q^±ψ)

产生算符和消灭算符

已知厄密共轭算符 a^,a^ 满足下列对易式:

[a^,a^]=I^

则算符 N^=a^a^ 与它们的对易关系是:

{[N^,a^]=a^[N^,a^]=a^

设算符 N^ 有个本征值为 n,相应的本征矢为 |n,则

{N^a^|n=(n1)a^|n,N^a^|n=(n+1)a^|n

理解为:

{N^a^|n=(n1)a^|n,N^a^|n=(n+1)a|n^

因此,

{a^|n|n1a^|n|n+1

归一化为:

{|n=a^nn!|0n|=0|a^nn!

一维谐振子的升降算符。升降算符 a± 定义为:

a±=mω2(ximωp)

升降算符的详细推导:

H=p22m+V=12m[p2+(mωx)2]

令:

A2=mω22,B2=12m

形式上,H=A2x2+B2p2,因为 A,B 都是算符,所以有:

(Ax+iBp)(AxiBp)=HiAB[x,p]=H+AB

再计算 [Ax+iBp,AxiBp],通过上式容易得到是 2AB.

通过对易关系证明 Ax±iBpH 的升降算符

[H,Ax±iBp]=[(Ax+iBp)(AxiBp)AB,Ax±iBp]=[(Ax+iBp)(AxiBp),Ax±iBp]=(Ax+iBp)[AxiBp,Ax±iBp]+[Ax+iBp,Ax±iBp](AxiBp)=2AB(Ax±iBp)=ω(Ax±iBp)

因此,Ax+iBp 作用于哈密顿算符,可以使本征值 ωAxiBp 作用于哈密顿算符,可以使本征值 +ω. 通过一定的归一化,我们可以定义归一化的升降算符 a+,a,它们是厄密的,并且共轭

对于 ψn+1=a+ψn/A,考虑求归一化系数 A.

A2ψn|a+a+|ψn=(a+ψn)(a+ψn)dx=(a+a+ψn)(ψn)dx=(aa+ψn)(ψn)dx,

考虑到 ωaa+=H+ω/2(上面推导了)所以

aa+ψn=Hψn/(ω)+ψn/2=(n+1)ψn
A2=(n+1)ψnψndx=n+1A=n+1.

所以 ψn+1=a+ψn/n+1.

考虑到将位置算符和动量算符用升降算符表示:

a±=mω2(ximωp),α:=mω
x^=2α(a++a)
x^ψn=1αn2ψn1+1αn+12ψn+1
p^ψn=iα(n+12ψn+1n2ψn1)

例题 求一维谐振子的坐标、动量算符及哈密顿算符在能量表象中的矩阵表示。

  1. 坐标算符 x^.

    利用公式:

    xψn=1αn2ψn1+1αn+12ψn+1

    得:

    xmn=ψmxψndx=12[n+12δm,n+1+n2δm,n1]

例题

求二维各向同性谐振子的薛定谔方程和能量本征值、能量本征函数。

[p^x2+p^y22m+U(x,y)]ψ(x,y)=Eψ(x,y)
[22m2x222m2y2+12mω2(x2+y2)]ψ(x,y)=Eψ(x,y)

能量本征值:

En=(n+1)ωgn=n+1

能量本征函数:

Ψn(x,y)=ψnx(x)ψny(y)n=nx+ny

一维方势垒

V(x)={V0,0<x<a0,x<0,x>a.

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现有粒子从左向右入射,能量为 E,问粒子穿透势垒或被反射的几率是多少?

  1. E<V0

    d2ψdx2+2mE2ψ=0x<0,x>ad2ψdx2+2m2(EV0)ψ=00<x<a

    设:k2=2mE2,k2=2m(V0E)2,则:

    d2ψdx2+k2ψ=0x<0,x>ad2ψdx2k2ψ=00<x<a

    解为:

    x<0ψ1=Aeikx+Aeikx0<x<aψ2=Bekx+Bekxx>aψ3=Ceikx+Ceikx
    • eikx:左到右,入射波或者透射波;

    • eikx:右到左,反射波。

    从物理条件考虑,C=0. 代表 >a 的部分 没有反射波

    波函数及其导数的连续性条件

    • x=0 处,A+A=B+Bik(AA)=k(BB)

    • x=a 处,Beka+Beka=Ceika

      k(BekaBeka)=ikCeika.

    可以解得透射系数 T 和反射系数 R

    T=|C|2|A|2=4k2k2(k2+k2)2sinh2ka+4k2k2
    R=|A|2|A|2=(k2+k2)2sinh2ka(k2+k2)2sinh2ka+4k2k2

    显然

    T+R=1

    ka1 时, DD0exp[22m(V0E)a],可得,

    • 势垒越高, 宽度越宽, 穿透几率越小, 但总有一定几率穿透, 这一现象称为量子隧道效应

    • 另外, 量子隧道效应中穿透几率 D 对势垒的宽度的变化很敏感

  2. E>V0,完全一样处理, 只是把 kik

k2=2m2(EV0)

可得透射系数和反射系数如下:

T=11+14V02E(EV0)sin2kaR=(k2k2)2sin2ka(k2k2)2sin2ka+4k2k2T+R=1

ka=nπ,(n=1,2,),令 k=2πλ, 则当 a=nλ2 时, T=1,即当势垒宽度为半波长整数倍时,发生 共振透射。这与光学中情况类似。

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即使 E<V0,T0,发生了隧道效应。

总结:一维方势垒

  • 对于不同的区域,列出薛定谔方程,求出系数:

    k2=2mEi
  • 待定系数求解。最后的区域没有反射波,反射波系数为零。

  • 通过波函数及其导数的连续性条件,可得系数满足的方程。

  • 通过概率流密度公式:

    j=m|A|2k|A|2k

    求得透射系数和反射系数。

  • 概率流守恒 R+T=1.

例题 粒子在势能为 U(x)={0,x<0U0,x>0 的场中运动,0<E<U0 时入射波、反射波和透射波的波函数分别为 e+ik1x0.8e+ik1x0.6e+ik1x。其概率流密度分别为?透射系数为?反射系数为?

透射系数定义为透射波的概率流密度除以入射波的概率波密度。

反射系数同理。

透射系数:0.36,反射系数 0.64.

例题 质量为 m 的粒子被 U(x)={0,x<0U0,x>0 势垒散射,E>U0 时入射波、反射波和透射波的波函数分别为?概率守恒结果是?

入射波为 Ae+ik1x,反射波为 Beik1x,透射波为 Ce+ik2x,其中

k1=2mE2>0k2=2m(EU0)2>0

概率守恒表示为 |A|2=|B|2+|C|2.

习题

例题 22-4

原子从某一激发态跃迁到基态,发射出中心波长为 λ,谱线宽度 Δλ 的光子,试估算:

  1. 此光子动量的不确定度 Δp

    因为:

    p=hλ

    可得:

    ΔpΔλ=hλ2
    Δp=|hλ2Δλ|=hλ2Δλ
  2. 此光子位置的不确定度 Δx

    由不确定度关系:

    ΔxΔphΔxhΔp=λ2Δλ
  3. 原子处在激发态的寿命 τ

    τ=Δt=Δxc=λ2cΔλ
  4. 激发态的能量宽度:

    ΔE=hΔt=hcΔλλ2

例题 22-5

试用下列 3 种方法计算无限深一维势阱中质量为 m 的粒子的最小能量(零点能);

  1. 德布罗意波的驻波条件;

    驻波的波长为 2a,a,2a/3,,为了使得能量最小,要让波长最短:

    p=hλ=h2a,E=p22m=h28ma2
  2. 不确定度关系式;

    Δx=a,Δp=hΔx=ha
    EΔp22m=h22ma2

习题 22-1

在 3K 温度下中子的动能等于 32kT,求其德布罗意波长。

λ=hp=h2mEk=h3mkT

习题 22-6

设电子位置的不确定度为 1×102 nm,计算它的动量不确定度;若电子的能量约为 1 keV,计算电子能量的不确定度。

Δp=hΔx
Δt=Δxv=Δx2E/m
ΔE=hΔt
ΔE=h2E/mΔx

习题 22-10

粒子作圆周运动,试证其不确定度关系可以表示为 ΔLΔθh.

ΔpΔxhRΔpΔxRh