Ch3 - 量子力学深入

可观测量的算符表示

  • 掌握厄密算符的定义

  • 掌握厄密算符的本征值与本征函数的基本性质与物理意义

  • 应用常用的可观测算符

  • 计算对易关系

算符的基本性质

算符相等:对于任意波函数 ψ,都有 A^ψ=B^ψ。则称 A^=B^.

单位算符:对于任意波函数 ψ,都有 I^ψ=ψ

算符相加(A^+B^)ψ=A^ψ+B^ψ.

满足结合律、交换律。

算符相乘A^B^ψ=A^(B^ψ)

逆算符A^A^1=A^1A^=I.

线性算符A^(c1ψ1+c2ψ2)=c1A^ψ1+c2A^ψ2. 其中 c1,c2 为常复数。

厄密算符

对于任意波函数 u,v,线性算符 A^ 满足以下等式:

uA^vdx=(A^u)vdx

则称 A^厄密算符

用内积的形式表示:(u,A^v)=(A^u,v).

厄密算符的 证明

位置算符 是厄密算符:

ux^vdx=uxvdx=(xu)vdx=(x^u)vdx

动量 是厄密算符:(利用分部积分、波函数在无穷远处为零)

up^vdx=u(ix)vdx=iudv=iuv|+i(xu)vdx=(p^u)vdx

动能算符 也是厄密算符(对易)

哈密顿算符 是厄密算符。

厄密算符的期待值是实数:设 A^ 是厄密算符,则:

A=ψA^ψdx=(A^ψ)ψdx=(ψ(A^ψ)dx)=AA=A

例题 xp^x 算符是否是厄密算符?

法一:不可能同时确定 x,p^x,因此不是可观测量,不是厄密算符。

法二:根据定义,

ψ(xp^x)φdx=ψx(p^xφ)dx=(xψ)p^xφdx

因为 p^x 是厄密算符,所以可得

ψ(xp^xφ)dx=(p^xxφ)ψdx

但是 xp^xp^xx,所以不是厄密算符。

厄密算符 A^ 的本征方程:

A^u=λu

λ 为算符 A^本征值u 称为对应于本征值 λ本征函数

设厄密算符 A^,其本征方程:

A^u=λu

则本征值 λ 必为实数。

证明:

A=uA^udx=λuudx=λ=(A^u)udx=λuudx=λ
λ=λλR

厄密算符对应于不同本征值的本征函数是正交的

假设 u1u2 各为相应于不同本征值 λ1λ2 的本征函数,也就是说:

A^u1=λ1u1,A^u2=λ2u2λ1λ2

则:

u2u1dx=0

证明:

u2A^u1dx=λ1u2u1dx=(A^u2)u1dx=λ2u2u1dx
(λ1λ2)u2u1dx=0u2u1dx=0

若本征值 λ 有简并, 则可利用正交化过程使得线性无关的本征函数彼此正交.

厄密算符的本征函数满足正交归一性,m,n 各自为一组量子数

umundx=δmn={1m=n0mn

厄密算符本征函数的完备性

厄密算符本征函数的完备性是指任何波函数可以表达成 本征函数 un 的叠加:

Ψ=c1u1+c2u2++=ncnun

求解叠加系数 ci:上式两侧乘以 ui 并积分,利用本征函数满足正交归一性:

uiΨdx=ncnuiundx=ncnδin=ci

可得:

ci=uiΨdx
ΨΨdx=1n|cn|2=1

例题 试求算符 F^=ieixddx 的本征函数。

F^ψ=λψieixdψdx=λψ
dψψ=iλeixdxlnψ=C+iλ1ieixψ=Ceλeix

例题 试求一维动能算符 K^=22md2dx2 的本征值和本征函数,并讨论其简并度。

22md2dx2ψ=Eψ

k2=2mE2.

d2ψdx2+k2ψ=0

对于一个相同的 Eψ 可以取 eikx 或者 eikx,都是本征函数,简并度 g=2.

例题 质量为 m 的粒子在一维势场 V(x)={0,0xa,x>ax<0 中运动,

Ψ(x,t)=eiE12ψ1(x)+eiE22ψ2(x)

ψn(x)(n=1,2,) 是对应于能量本征值 En 的本征函数。证明 Ψ(x,t) 是归一的,并计算这个态的 EΔE.

结论,对于双能量态系统:E=12(E1+E2)ΔE=12(E2E1),相当于不确定度。

常见的几个可观测量算符

求解 位置算符的本征值与本征函数

x^u(x)=x0u(x)xu(x)=x0u(x)u(x)=δ(xx0)

求解 动量算符的本征值与本征函数

p^u(x)=p0u(x)
iu(x)x=p0u(x)
up0(x)=12πeip0x/

正交“归一”性:

up0(x)up1(x)dx=δ(p0p1)

任何函数都可以按照动量算符的本征函数展开(Fourier 变换):

ψ(x)=12πC(p)eipx/dp

C(p):动量测量值为 p 的概率幅。

动能算符

T^=22m2

因为动能算符和动量算符对易,所以拥有相同的本征函数。

求解 哈密顿算符的本征值与本征函数, 即 定态薛定谔方程

H^ψ=Eψ
[22x2+V(x)]ψ(x)=Eψ(x)

分立情况

定义 宇称算符

P^ψ(r)=ψ(r)

宇称算符是厄密算符:

u(x)P^v(x)dx=u(x)v(x)dx=u(x)v(x)dx=(P^u(x))v(x)dx

求解宇称算符的本征值与本征函数:

P^u(x)=λu(x)
P^2u(x)=P^u(x)=u(x)=λ2u(x)
λ2=1λ=±1

简并度 无穷大。有无穷多个函数满足 λ=1 或者 λ=1.

正交归一性:

ueu0dx=0ueuedx=uouodx=1

任何函数可以按照宇称算符的本征函数展开:

ψ(x)=ψ(x)+ψ(x)2偶函数+ψ(x)ψ(x)2奇函数

对易关系

定义任意两个算符的对易关系:

[A^,B^]=A^B^B^A^

对于任意波函数 ψ(x)

ψ=(x^p^)ψ(p^x^)ψ=x(p^ψ)p^(xψ)=x(p^ψ)(p^x)ψx(p^ψ)=ixxψ=iψ[x^,p^]ψ=iψ

解释:

所以可以推导出 基本对易关系

[x^,p^]=i

在三维情况下,只有当 x,p 对应的坐标轴相同才不对易,也就是:

[x^α,p^β]=iδαβ(α,β=x,y,z)

对易关系的运算法则

例题:求对易关系 [x^,p^2].

[x^,p^2]=[x^,p^]p^+p^[x^,p^]=2ip^

例题:求对易关系 [p^x,F^(x)].

对于波函数 ψ,可知

ix(F^(x)ψ)F^(x)[iψx]=iF^(x)xψiF^(x)ψxF^(x)[iψx]=iF^(x)xψ

因此,

[p^x,F^(x)]=iF^(x)x

应用:

[p^x,xn]=inxn1

例题:求对易关系 [x,T^].

因为 T^=p^22m,所以利用 [x^,p^2]=2ip^.

[x,T^]=imp^=2mx

态叠加原理

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具有确定动量粒子的波函数为平面波:

ψ(x)=12πeipx

如果动量不确定,则为平面波的叠加 – 傅里叶变换:

ψ(x)=12πC(p)eipxdp

其中,

C(p)=12πψ(x,t)eipxdx

本征态 u 下测量 A,测量结果为确定的唯一的值 λ,理解方法:

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不确定关系

  • 理解不确定关系是量子体系波粒两象性的表示

  • 应用不确定关系估算束缚态的基态能量

  • 理解光谱的自然展宽

海森堡不确定关系

具有确定动量的粒子的波函数为平面波:

ψ(x)=12πeipx

测量动量具有唯一确定值 p,动量的不确定度为零。

Δp=0

位置概率密度处处相等, 粒子在各个空间位置出现的概率相同, 因此完全不能确定位置, 即位置不确定度为无穷大

Δx=

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可知,当 Δx,则 Δp;当 Δx,则 Δp.

对于无限深势阱,动量的均方差:

Δp2=p2p2=p2=2mEn=h2n24L2

位置的均方差:

Δx2=x2x2=2L0Lx2sin2nπxLdx(L2)2=L212+L22n2π2

海森伯不确定关系

同时测量两个可观测量,测量位置和动量不可能同时达到任意的精度. 测量两者不确定度的乘积存在一个下限

ΔxΔpx2

关注不确定度的定义。

不同可观测量同时有确定值的条件

两个客观测量,A^B^,若彼此不对易,[A^,B^]0,则一般不能同时具有确定值,在任一量子态中,其测量值的不确定度满足不确定关系:

ΔAΔB12|[A^,B^]|

对于位置与动量,根据 [x^,p^x]=i,可以得到:

ΔxΔp2

A^B^ 对易,则 ΔAΔB0. 具有一组正交归一完备的共同的本征函数;则 在共同本征态 ψ 下测量 A^B^,它们具有唯一的确定值:

A^ψ=aψ,B^ψ=bψ

否则不能具有确定的测量值。

例题 已知粒子质量为 m,利用不确定关系估算限制在长为 L 的一维盒子中的基态能量。

Δp2Δx=2L
E1=p22m=(Δp)22m=28mL2

例题 已知一谐振子质量为 m,处于势场 V(x)=12mω2x2 中,利用不确定关系估算谐振子的基态能量。

基态能量:

E0=p22m+12mω2x2=Δp22m+12mω2Δx2=28ma2+12mω2a2428ma212mω2a2=12ω

能量与时间的不确定关系

p=hλΔp=hλ2Δλ
Δx=2Δp=λ24πΔλ

时间的不确定度 Δt,则:

Δx=cΔt=λ24πΔλ

能量的不确定度:

ΔE=hΔν=hcλ2ΔλΔEΔt=2

轨道角动量

  • 掌握角动量算符的对易关系

  • 掌握轨道量子数和磁量子数的物理意义

  • 掌握球谐函数的基本性质和物理意义

轨道角动量的定义

轨道角动量有经典对应:

L=r×p=r×mv

定义轨道角动量算符(分 x,y,z 三个方向)

L^=L^xı^+L^yȷ^+L^zk^=r^×p^=r^×(i)
{L^x=y^p^zz^p^yL^y=z^p^xx^p^zL^z=x^p^yy^p^x

定义角动量平方算符 L^2

L^2=L^x2+L^y2+L^z2

轨道角动量在直角坐标系下的表示(代入 p^x,y,z):

L^x=i(yzzy)L^y=i(zxxz)L^z=i(xyyx)

轨道角动量在球坐标系下的表示:

L^x=i(sinφθ+cotθcosφφ)L^y=i(cosφθcotθsinφφ)L^z=iφL^2=2[1sinθθ(sinθθ)+1sin2θ2φ2]

注意到 L^z 只和对 φ 的偏微分有关系。

轨道角动量的对易关系

轨道角动量的分量彼此不对易, 一般情况下不能同时确定角动量的各个分量

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

或者:

[L^i,L^j]=iϵijkL^ki,j,k=x,y,z

ϵi,j,k: Levi-Civita 张量

ϵijk={1i,j,kx,y,z的偶对换1i,j,kx,y,z的奇对换0有两个以上指标相同

求证:[L^x,L^y]=iL^z.

需要利用

[A^,B^+C^]=[A^,B^]+[A^,C^][A^B^,C^]=A^[B^,C^]+[A^,C^]B^

证明:

[L^x,L^y]=[y^p^zz^p^y,z^p^xx^p^z]=[y^p^z,z^p^x][y^pz,xpz][zpy,zpx]+[zpy,xpz]=y[pz,z]px0+0+x[z,pz]py=iypx+ixpy=iL^z

注:

[ypz,zpx]=y[pz,zpx]+[y,zpx]pz=y[pz,z]px+yz[pz,px]+[y,z]pxpz+z[y,px]px=y[pz,z]px+z[y,px]px=y[pz,z]px

求证[L^x,p^x]=0.(因为 L^x 只与 y,z 有关,因此 =0

求证[L^y,p^x]=ip^z.

[L^y,p^x]=[z^p^zx^p^z,p^x]=[z^p^x,p^x][x^p^z,p^x]=z^[p^x,p^x]+[z^,p^x]p^xx^[p^z,p^x][x^,p^x]p^z=ip^z

求证[L^z,p^x]=ip^y. 同理。

求证[L^x,x]=0。(L^x 只与 y,z 相关。)

求证[L^y,x]=iz. 类似计算即可。

总结:

[L^i,L^j]=iϵijkL^k[L^i,p^j]=iϵijkp^k[L^i,j]=iϵijkk

轨道角动量平方的对易关系

轨道角动量平方与其分量彼此对易, 轨道角动量平方与角动量的某一个分量 具有共同本征函数

[L^2,L^i]=0i=x,y,z

证明:

[L^2,L^i]=[LjLj,Li]=[Lj,Li]Lj+Lj[Lj,Li]=iϵjikLkLj+iϵjikLjLk=0

轨道角动量的本征值与本征函数

L^z 的本征方程:

iφψ(φ)=λψ(φ)ψ(φ)=Aeiλφ/

周期性条件:任意波函数:

ψ(φ+2π)=ψ(φ)ei(2π)λ/=1

L^z 的本征值 λmm 为磁量子数,只能取整数.

L^z 的本征函数:

ψm(φ)=Aeimφ

其中 A 为归一化系数。

02π|ψm|2dφ=1=|A|22πA=12π

满足正交归一条件:

02πψmψmdφ=δmm

总结:L^z本征方程与本征函数

L^zψm(φ)=mψm(φ)ψm(φ)=12πeimφm=0,±1,±2,

L^x,L^y,L^z,角动量任意方向分量的本征值只能取离散的分立的值,为 的整数倍。

可知角动量平方算符为:

L^2=2[1sinθθ(sinθθ)+1sin2θ2φ2]=2sinθθ(sinθθ)+L^z2sin2θ

L^2,L^z 的本征方程:

L^2Ylm=l(l+1)2YlmL^zYlm=mYlm

其中 Ylm(θ,φ)球谐函数m磁量子数l轨道量子数L^2 的本征值为 l(l+1)2,这个本征值有 2l+1 个简并度,因为对于一个 lm 可以取 ll.

结论:

  • 角动量的大小是量子化的,只能取 l(l+1)

  • 角动量的方向是量子化的,只能取分立的允许值 cosθ=ml(l+1).

定义 连带勒让德函数Plm.

球谐函数L^2,L^z 的共同本征函数:

Ylm(θ,φ)=12πNlmPlm(cosθ)eimφ

也满足 正交归一性完备性

正交归一性表达为:

θ=0πφ=02πYlmYlmsinθdθdφ=δllδmm

完备性表达为任意波函数都能按照球谐函数展开:

Ψ(θ,φ)=l=0m=llClmYlm(θ,φ)

常见的球谐函数

Ylm 态下测量 L^2 有唯一确定的值 l(l+1),在 Ylm 态下测量 L^z 下有唯一确定的值 m.

物理意义:在 Ylm 态下,粒子出现在方向沿着 (θ,φ)的立体角微元 dΩ 的概率幅:

dP=|Ylm(θ,φ)|2dΩ=|Ylm(θ,φ)|2sinθdθdφ

例题 证明水平方位角的那部分波函数 ψ

ψ(φ)=1πcosφ

是归一化的。对一个处于这个态的粒子角动量的 z 分量进行测量,可能会得到哪些值?得到每个值的概率是多少?粒子在这个态的 Lz 是多少?

ψ(φ)=mCm12πeimφ=1212πeiφ+1212πeiφ
Lz=12()+12()=0

例题 求粒子处在 Ylm(θ,φ) 时的角动量的 xy 分量及平方的期待值。

ΔLxΔLy12|[Lx,Ly]|=m2

YlmL^xYlmdΩ

行不通。

但是根据 对称性Lx=Ly.

根据 对易关系

Lx=1i[Ly,Lz]=1i[YlmLyLzYlmdΩYlmLzLyYlmdΩ]=1i[mYlmLyYlmdΩmYlmLyYlmdΩ]=0

根据对称性,可得 Lx2Ly2.

Lx2+Ly2+Lz2=S2=l(l+1)2Lz2=m22

可得:

Lx2=Ly2=l(l+1)m222

氢原子

氢原子中电子处于势场:

V(r)=Ze24πε0r

其中 Ze 是原子核的电荷,氢原子核 Z=1,电子质量 me.(更精确用约化质量)

由定态薛定谔方程:

[22me2+V(r)]ψ=Eψ
[22me2Ze24πε0r]ψ=Eψ

其中对于球坐标系:

2=1r2r(r2r)+1r2sinθθ(sinθθ)+1r2sinθ2φ2=1r2r(r2r)L2r22

因此:

H=22me2+V(r)=22mer2r(r2r)+L22me2r2+V(r)

容易证明 H,L2,Lz 三者是彼此对易的。

因为 Hr 求导,L2θ,φ 求导,Lzφ 求导,互不干扰。

所以三者构成力学量完全集,拥有一套共同的本征函数。

分离变量求解:ψ(r,θ,φ)=R(r)Ylm(θ,φ)=R(r)θ(θ)Φ(φ).

ψ(r,θ,φ)=RnlYlm

利用球谐函数的性质。

[22mer2r(r2r)+l(l+1)22mer2+V(r)]R(r)Ylm(θ,ϕ)=ER(r)Ylm(θ,ϕ)

径向方程:

1r2r(r2R(r)r)+[2me2(EV(r))l(l+1)r2]R(r)=0

u(r)=rR(r),可得:

d2u(r)dr2+[2me2(EV(r))l(l+1)r2]u(r)=0

如果令 u(r) 的系数为零,可得有效势能,包含库伦势能和离心势能:

Veff=e24πε0rV(r)+l(l+1)22mer2L^22mr2

image-20240517163318790

可得:

E=mee42(4πε0)22n2

角量子数可取 l=0,1,,n1,玻尔半径 a0=4πε02mee2=0.53 A.

用波尔半径表示 E

E=22mea02n2

对于能级 n,可得:En=13.6 eVn2n=1,2,,它的性质:

能级简并度:

gn=2l=0n1(2l+1)=2n2

img

由图可知,1s 对应 n=1,l=0,2s 对应 n=2,l=0,2p 对应 n=2,l=1,以此类推。

里德伯常数

EnEm=hνν~=RH[1m21n2]

径向部分波函数

image-20240517164845120

径向分布:找到电子出现在 [r,r+dr] 中的概率 dP,可得:

dP=|ψnlm|2r2drdΩ=r2|ψnlm|2

image-20240517165219934

电流密度

氢原子的电流密度由概率流密度给出,根据电流可求磁矩,

μz=mμB

其中 μB=e/2me,因此磁矩也是量子化的。


习题

  1. 氢原子的定态波函数为 Ψnlm(r,θ,φ)|Ψnlm(r,θ,φ)|2 代表位置概率密度。电子出现在 r1r2 球壳内的概率为:

    r1r20π02π|Ψnlm|2r2sinθdrdθdφ=r1r2[Rnl(r)]2r2dr
  2. 试计算 n=3 时氢原子的电子角动量的大小的可能取值。

    l=0,1,2.L2=0,22,62

    大小为:

    0,2,6.
  3. 氢原子处于 n=2,l=1 的激发态时,原子的轨道角动量在空间内有哪些可能的取向?并计算各种可能取向的角动量与 z 轴的夹角。(不可能同时确定 Lx,Ly,Lz

    L2=l(l+1)2=22

    m 可以取 1,0,1,此时 Lz 可以取 ,0,.

    夹角为 135,90,45.

  4. 已知氢原子基态的径向波函数为:

    R10(r)=Aer/a0

    通过:

    0r2R10dr=1
  5. 处于基态的氢原子在多大半径出现的概率最大:d(r2R10)/dr=0.

  6. 求动能的期待值 T.

    先算

    V=e24πε01r

    其中:

    1r=0r2R102(r)1rdr

    利用:

    E=V+T

    可得 V=2T. 和经典物理类似。

  7. 氢原子处在基态

    Φ(r,θ,φ)=1πa03er/a0
    1. r 的平均值。

      r=|Φ|2r4πr2dr=4π1πa03e2r/a0r3dr=32a0

      利用:

      0xneaxdx=n!an+1
    2. 势能 e2r 的平均值。

      V=e2a0
    3. 径向概率分布:

      ρ(r)dr=|Φ|24πr2dr
      ρ(r)=4a03e2r/a0r2
    4. 最可几半径:

      dρ(r)dr=0r=a0
    5. 动能的平均值:可以利用能量关系。

态与算符的矩阵表示

狄拉克符号

波函数在不同表象中的表示

狄拉克符号表示态矢

根据态叠加原理,由于波函数的叠加性,称波函数为态矢,用狄拉克符号表示态矢,独立于表象

态矢的运算也符合 交换律、结合律、分配律

内积 表示为:

ψ1|ψ2=ψ1ψ2dx

因此:

算符的定义与薛定谔方程

A^|u=|vA^|u=λ|uH^|n=En|n()H^|ψ(t)=it|ψ(t)()

狄拉克符号表示态矢的外积

(|uv|)|ψ=|uv|ψ=(v|ψ)|u

作用在任意右矢 |ψ 的结果是右矢,所以 |uv| 是算符。总结:

例题{|ψn,n=1,2,} 是正交归一完备的基矢。求证 n|ψnψn|=I.

n|ψnψn|ψ=nψn|ψ|ψn=ψ

例题 对于任何两个代表不同状态的态矢量 |ψ|φ(未归一化),试证明下列 Schwarz 不等式:

|ψ|φ|2<ψ|ψφ|φ

等于证明:

φ|ψψ|φ<ψ|ψφ|φ

证明:令ψψ=a(>0),φφ=b(>0),ψφ=c,并令

|χ=|φca|ψ

由于 ψ,φ 代表不同状态,所以 |χ0,χ|χ>0,即

χχ=(φ|caψ|)(|φca|ψ)=bcca>0

所以 cc,亦即 |ψφ|2<ψψφφ.

例题 假如 |α 是一个归一化的态矢,算符 P^

P^|αα|

称为投影算符。证明

  1. 投影算符是等幂的:P^2=P^.

    使用右矢 |ψ 作用,可得

    P^2ψ=|αα|αα|ψ=|αα|ψ=P^ψ
  2. P^ 是厄密算符吗?

    P^=(|αα|)=(α||α)=|αα|
  3. 求出 P^ 的本征值,描述它的本征矢量。

    假设 P^ψ=λψ,则 P^2ψ=λ2ψ=P^ψ=λψ,因此 λ=1λ=0.

    • λ=1|αα|ψ=|ψ=α|ψ|α.

    • λ=0α|ψ=0.

波函数的矩阵表示

右矢的矩阵表示

力学量完全集 F 所有共同本征函数 |un 构成一个完备正交的基矢,这样任何一个态矢 |ψ 都可以展开为:

|ψ=ncn|un

cn=un|ψ 描述体系状态。

|ψ=(c1c2)
ψ1|ψ2=mcmdm

各基矢 |un 在自身表象中的矩阵形式为:

|u1=(10),|u2=(010),,|un=(010)

cn 是态矢量 |ψ 在各基矢方向的分量,如同坐标分量。

|ψ=(c1c2)=c1|u1++cn|un+cn=un|ψ

左矢和内积的矩阵表示

左矢的矩阵表示:cn 排成一个行向量来表示

Ψ(x)=ncnun(x)ψ|=(c1,c2,)

矩阵的运算规则满足波函数的叠加性。

内积的矩阵表示:相当于做矩阵乘法。

可以证明

ψ|φ=φ|ψ

img

|ψ1=(10),|ψ2=(010),|Ψ(x,t)=(eiE2/h/2eiE1/h/20),|Ψ(x,t)=(eiE2/h/2eiE1/h/20)

光子偏振态矢

算符的矩阵表示

对于一个算符 A^ 来说, 其可以用矩阵描述,其矩阵元素为:

Amn=umA^unda=um|A^|un
A^(A11A12A22)

共轭算符及其矩阵表示

定义算符 A^ 的共轭算符 A^A^A^ 互为共轭。

uA^vdx=(A^u)vdxuA^vdx=(A^u)vdx

共轭算符 A^ 矩阵是 A^ 矩阵的 转置+复数共轭,矩阵元 Amn(第 m 行,第 n 列)

Amn=um|A^|un=umA^undx=((A^un)umdx)=(unA^umdx)=un|A^|um=Anm

共轭算符的运算法则

(A^)=A^(A^|u)=u|A^(λA^)=λA^(A^+B^)=A^+B(A^B^)=BA^

厄密算符的矩阵表示

AA=AAmn=Anm

例题 证明假如相应于可观测量 A 的算符 A^ 是厄密算符,则 A20.

A2=ψ|A2|ψ=A|ψ:=uψ|A|u=ψ|A|u=(A|ψ)|u=u|u0

算符期待值的矩阵表示

左矢是右矢的转置+共轭

|Ψ=(c1c2),Ψ|=(c1c2)A=(c1c2)(A11A12A22)(c1c2)

本征方程的矩阵表示

(A11A12A22...)(c1c2)=λ(c1c2)

求解 λ

|A11λA12...A22λ...|=0

定态薛定谔方程的矩阵表示

(H11H12H22...)(c1c2)=E(c1c2)

EH 矩阵的特征值。

含时薛定谔方程的矩阵表示

(H11H12...H22...)(c1(t)c2(t))=it(c1(t)c2(t))

初始条件:已知 Ψ(0)=(c1(0)c2(0)).

例题|u,|v 为态矢,u|uv|v 有限,证明:

Tr|uv|=v|u
Tr|uv|=nun|uv|un=nv|unun|=Iu=v|u

img

 

例题 设相应于一个例子的物理量的算符 A^ 只有两个本征函数 ϕ1(x)ϕ2(x),他们的本征值分别为 a1a2,两者不等,粒子的任一一个态都可以表示为:

ψ=c1ϕ1(x)+c2ϕ2(x)

算符 B^ 定义为:

B^ψ=c2ϕ1(x)+c1ϕ2(x)
  1. 证明算符 B^ 是厄密算符。

    (B11B12B21B22)(c1c2)=(c2c1)
    B=(0110)
  2. 求算符 B^ 的本征值以及相应的归一本征函数。

    λ21=0λ=±1

    归一本征函数:

    u1=12(11)u1=12(11)
  3. 若粒子处于态 ψ=13ϕ1(x)+1i3ϕ2(x),求在该态下测量 B 的期待值。

    B=(131+i3)(0110)(131i3)=23

自旋

SG 实验

银原子束通过一个不均匀磁场后分裂为两条,第一次验证角动量方向的量子化。根据量子力学,银原子基态,n=1,l=0,L=Lz=0,银原子束不会分裂。但是实验中银原子分裂成两条。

自旋角动量

反常塞曼效应:分裂为 2(2l+1) 条。

自旋是微观效应的固有属性,不能用宏观的自旋对应。否则电子自转的速度将大于光速。

自旋角动量,用 S 表示,Si(i=x,y,z) 分别代表它的是三个分量。

自旋具有轨道角动量的量纲 [Js],自旋的分量具有和 轨道角动量 相同的对易关系:

[S^i,S^j]=iεijkS^k[S^x,S^y]=iS^z[S^y,S^z]=iS^x[S^z,S^x]=iS^y[S^2,S^i]=0

注:若定义 S±=Sx±iSy,则:

Szχ=λχSzS±χ=(λ±1)χ

S-G 实验测量 Sz 有两个测量可能值 ±12.

电子的自旋量子数:s=12;电子的自旋磁量子数 ms=±12.

电子自旋 (S2,Sz) 的共同本征态:

χ1/2=|1/2,1/2|=|1χ1/2=|1/2,1/2|=|2

可得,

{S^2χ12=12(12+1)2χ12S^zχ12=12χ12{S^2χ12=342χ12S^zχ12=12χ12

为了简化计算,引入 无量纲的泡利自旋算符 σ^,定义为:

S^=2σ^

注:也可得关系 Si=2σi.

可以证明泡利自旋算符的对易关系:

[S^i,S^j]=iεijkS^k24[σi^,σj^]=iεijk2σk^[σi^,σj^]=2iεijkσk^

注:因为 σiσjσjσi=2iσz,且 σxσy+σyσx=0,所以 σxσy=iσz

或者 σiσj=iϵijkσk.

泡利矩阵(S2,Sz) 表象的矩阵表示:

σx=(0110)σy=(0ii0)σz=(1001)

可以说明:

σ^2=σ^x2+σ^y2+σ^z2=3(1001)=3Iσ^x2=σ^y2=σ^z2=I=(1001)

例题 证明泡利算符具有反对易关系 {A^,B^}A^B^+B^A^

[σi^,σj^]=2iεijkσk^[σj^,σi^]=2iεjikσk^

因为 εijk+εjik=0,所以反对易。

例题

  1. (S2,Sz) 表象中求解 S^x 的本征值与本征态。

    先列出关于 σx 的久期方程。可得:

    • λ=1 时,S^x 本征态为 12(11).

    • λ=1 时,S^x 本征态为 12(11).

  2. 求在 χ1/2=(10) 态下测量 Sx 的期待值。

    Sx=2σx=2χ12σxχ12=2(01)(0110)(10)=2(01)(10)=0

例题

一个粒子处在自旋态

χ=A(3i4)
  1. 求出 A=1/5.

  2. 求出 Sx,SySz 的期待值。

    Sx=χ|Sx|χ=2125(3i 4)(0110)(3i4)
    Sy=,Sz=
  3. 求出 Sx,SySz 的“不确定度”

    Sx2=24σx2=24
  4. 证实你的结果符合不确定关系。

    σSxσSy12|[Sx,Sy]|=2Sz

电子波函数

考虑到自旋,电子波函数可以表示成

Φ=(ψ1(r,t)ψ2(r,t))

其中 ψ1(r,t) 表示 t 时刻找到电子 Sz=/2 并且处于 r 点单位体积内的概率幅;ψ2 同理。

归一化:

(|ψ1|2+|ψ2|2)d3r=1

位置概率密度 ω(r,t)

ω(r,t)=|ψ1|2+|ψ2|2

引入自旋后,任一自旋算符的函数 G^Sz 表象表示为 2×2 矩阵:

G=(G11G12G21G22)

算符 G^Φ 态中对坐标和自旋同时求平均的期待值是:

Φ+G^Φ=(ψ1ψ2)(G11G12G21G22)(ψ1ψ2)

如果自旋和轨道运动相互作用较小,则:

ψ(r,Sz,t)=ψ(r,t)χ(Sz)

其中 χ(Sz) 称为自旋波函数:

χ(Sz)=c1χ12+c2χ12=(c1c2)

习题 1-38

  1. 求解电子自旋 Sx,Sy,Sz 的本征矢;

    ∣↑z=(10),∣↓z=(01)
    ∣→x=12(11),∣←x=12(11)
    |+y=12(1i)|y=12(1i)
  2. 并以 Sy 的本征矢为基矢将 Sx 的本征矢展开;

    x=α+|+y+β+|y
    α+=+=1i2β=∣←=1i2
  3. Sx 的本征态下测量 Sy 的可能值有哪些?对应的概率是多少?平均值是什么?

    本征值为 2 概率为 |α+|2=1/2,本征值为 2 概率也为 1/2.

    平均值为零。

习题 1-37

设电子自旋的 z 分量是 /2,求沿着与 z 轴成 θ 角的 z 轴方向,自旋的分量等于 /2/2 的概率。

电子自旋的状态可以表示为:

ψ=∣↑z=(10)

满足

Szψ=+2ψ

只要分解 |χz+=a|χθ++b|χθ.

通过分解:

Sθ=Seθ=Sxcosθcosφ+Sycosθsinφ+Szcosθ
Sθ=2(cosθsinθeiφsinθeiφcosθ)

并求 Sθ 的本征态和本征值,可得

+θ=(cosθ2eiφ/2sinθ2eiφ/2)θ=(sinθ2eiφ/2cosθ2eiφ/2)

通过求解分解系数,可得

注:这个概率有点像偏振光的分解

例题 电子处于态 |ψ,表示态矢的量子数分别为:轨道量子数轨道磁量子数

|ψ=16|0,0,+13|1,0,+12|1,1,=(16Y00+13Y1012Y11)

问测量 L2,Lz,Sz 的可能值?相应的概率和期待值?

利用:

 可能值相应的概率期待值
L20,2216,56352
Lz0,12,1212
Sz12,1212,120

例题

对于波函数

|ψ0=16|1,0,0,+13|2,1,0,+12|2,1,1,

求:

  1. 能量的可能值、概率。

    E1,E2=4E1

    概率分别为 1/6,5/6.

  2. |ψ(t).

    (16R10Y00eiE1t/+13R21Y10eiE2t/12R21Y11eiE2t/)
  3. 找到粒子处在半径为 r 的球体内的概率。

    p=0r(16R102+13R212+12R212)r2dr

原子光谱的精细结构

电子的角动量

J=L+S

其中 j=l±12.

多电子原子的壳层结构

主量子数相同的电子属于同一壳层。n 相同,不同的 l 组成分壳层,对于 n=1,2,3, 的壳层分别用 K,L,M,N,O, 来表示。

泡利不相容原理不可能有两个或两个以上的电子处在同一量子状态,即不可能具有相同的四个量子数,这称为泡利不相容原理。

全同粒子体系

全同性原理

具有相同 静止质量电荷自旋 的粒子称为全同粒子。

单粒子波函数用 ψ(x) 描述,而多粒子体系波函数用 ψ(x1,x2,,xn) 描述。

定义交换算符,就是把粒子 1 的所有坐标(标识)与粒子 2 交换。

全同性原理要求交换算符作用后描述同一状态,即相差一常数。

P12Ψ(1,2)=Ψ(2,1)=λΨ(1,2)

因为 P122Ψ(1,2)=Ψ(1,2)=λ2Ψ(1,2),所以 λ=±1.

例如,对于波函数 ψ(x1,x2)=ϕ1(x1)ϕ2(x2)+ϕ1(x2)ϕ2(x1),是交换对称的,ψ(x1,x2)=ϕ1(x1)ϕ2(x2)ϕ1(x2)ϕ2(x1),是交换反对称的。

根据自旋量子数,微观粒子分为费米子和玻色子。

组成物质的基本粒子是费米子,传递相互作用的媒介子是玻色子