Ch3 - 量子力学深入
可观测量的算符表示
算符的基本性质
算符相等:对于任意波函数 ,都有 。则称 .
单位算符:对于任意波函数 ,都有 。
算符相加:.
满足结合律、交换律。
算符相乘:;
逆算符:.
线性算符:. 其中 为常复数。
厄密算符
对于任意波函数 ,线性算符 满足以下等式:
则称 是 厄密算符。
用内积的形式表示:.
厄密算符的 证明:
位置算符 是厄密算符:
动量 是厄密算符:(利用分部积分、波函数在无穷远处为零)
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 是厄密算符,则:
例题 算符是否是厄密算符?
法一:不可能同时确定 ,因此不是可观测量,不是厄密算符。
法二:根据定义,
因为 是厄密算符,所以可得
但是 ,所以不是厄密算符。
厄密算符 的本征方程:
为算符 的 本征值, 称为对应于本征值 的 本征函数;
本征值的集合称为本征值谱. 若本征值是分立的, 则这些本征值组成 分立谱; 若本征值是连续的, 则这些本征值组成 连续谱.
一个本征值只对应一个本征函数, 则称为无简并; 若同一本征值对应 个线性无关的本征函数,则称 该本征值简并,简并度为 .
设厄密算符 ,其本征方程:
则本征值 必为实数。
证明:
厄密算符对应于不同本征值的本征函数是正交的
假设 和 各为相应于不同本征值 和 的本征函数,也就是说:
则:
证明:
若本征值 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, 各自为一组量子数
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 的叠加:
求解叠加系数 :上式两侧乘以 并积分,利用本征函数满足正交归一性:
可得:
例题 试求算符 的本征函数。
例题 试求一维动能算符 的本征值和本征函数,并讨论其简并度。
令 .
对于一个相同的 , 可以取 或者 ,都是本征函数,简并度 .
例题 质量为 的粒子在一维势场 或 中运动,
是对应于能量本征值 的本征函数。证明 是归一的,并计算这个态的 和 .
结论,对于双能量态系统:,,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:
本征值 ;
称为狄拉克函数;
无简并。
正交归一性:
任何函数可以按照位置算符的本征函数展开
:位置测量值为 的概率幅。
求解 动量算符的本征值与本征函数:
正交“归一”性:
任何函数都可以按照动量算符的本征函数展开(Fourier 变换):
:动量测量值为 的概率幅。
动能算符
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
能量谱可能分立,连续或兼而有之
一维束缚态:能量分立无简并
分立情况
正交归一性
任何函数可以按照哈密顿算符的本征函数展开
:能量测量值为 的 概率幅。
定义 宇称算符:
宇称算符是厄密算符:
求解宇称算符的本征值与本征函数:
, 为偶函数;
, 为奇函数。
简并度 无穷大。有无穷多个函数满足 或者 .
正交归一性:
任何函数可以按照宇称算符的本征函数展开:
偶函数奇函数 对易关系
定义任意两个算符的对易关系:
对于任意波函数 ,
解释:
所以可以推导出 基本对易关系:
在三维情况下,只有当 对应的坐标轴相同才不对易,也就是:
对易关系的运算法则
,,
.
记忆方法:拆分 或者 ,它们之间的位置保持不变。
恒等式
例题:求对易关系 .
例题:求对易关系 .
对于波函数 ,可知
因此,
应用:
例题:求对易关系 .
因为 ,所以利用 .
态叠加原理
具有确定动量粒子的波函数为平面波:
如果动量不确定,则为平面波的叠加 – 傅里叶变换:
其中,
本征态 下测量 ,测量结果为确定的唯一的值 ,理解方法:
,其它地方 ,因此唯一确定;
.
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:
测量动量具有唯一确定值 ,动量的不确定度为零。
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
可知,当 ,则 ;当 ,则 .
对于无限深势阱,动量的均方差:
位置的均方差:
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
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, 与 ,若彼此不对易,,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:
对于位置与动量,根据 ,可以得到:
若 与 对易,则 . 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 下测量 与 ,它们具有唯一的确定值:
否则不能具有确定的测量值。
例题 已知粒子质量为 ,利用不确定关系估算限制在长为 的一维盒子中的基态能量。
例题 已知一谐振子质量为 ,处于势场 中,利用不确定关系估算谐振子的基态能量。
基态能量:
能量与时间的不确定关系
时间的不确定度 ,则:
能量的不确定度:
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:
定义轨道角动量算符(分 三个方向)
定义角动量平方算符 :
轨道角动量在直角坐标系下的表示(代入 ):
轨道角动量在球坐标系下的表示:
注意到 只和对 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
或者:
: Levi-Civita 张量
为的偶对换为的奇对换有两个以上指标相同 求证:.
需要利用:
证明:
注:
求证:.(因为 只与 有关,因此 )
求证:.
求证:. 同理。
求证:。( 只与 相关。)
求证:. 类似计算即可。
总结:
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
证明:
轨道角动量的本征值与本征函数
的本征方程:
周期性条件:任意波函数:
的本征值 取 , 为磁量子数,只能取整数.
的本征函数:
其中 为归一化系数。
满足正交归一条件:
总结: 的 本征方程与本征函数:
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:
的本征方程:
其中 为 球谐函数。 为 磁量子数, 为 轨道量子数。 的本征值为 ,这个本征值有 个简并度,因为对于一个 , 可以取 .
结论:
定义 连带勒让德函数 为 .
球谐函数 是 的共同本征函数:
也满足 正交归一性 和 完备性。
正交归一性表达为:
完备性表达为任意波函数都能按照球谐函数展开:
常见的球谐函数
.
在 态下测量 有唯一确定的值 ,在 态下测量 下有唯一确定的值 .
物理意义:在 态下,粒子出现在方向沿着 的立体角微元 的概率幅:
例题 证明水平方位角的那部分波函数
是归一化的。对一个处于这个态的粒子角动量的 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 是多少?
例题 求粒子处在 时的角动量的 和 分量及平方的期待值。
用
行不通。
但是根据 对称性,.
根据 对易关系:
特征值厄密性 根据对称性,可得 和 .
可得:
氢原子
氢原子中电子处于势场:
其中 是原子核的电荷,氢原子核 ,电子质量 .(更精确用约化质量)
由定态薛定谔方程:
其中对于球坐标系:
因此:
容易证明 三者是彼此对易的。
因为 对 求导, 对 求导, 对 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:.
利用球谐函数的性质。
径向方程:
令 ,可得:
如果令 的系数为零,可得有效势能,包含库伦势能和离心势能:
可得:
角量子数可取 ,玻尔半径 .
用波尔半径表示 :
对于能级 ,可得:,,它的性质:
能级简并度:
由图可知,1s 对应 ,2s 对应 ,2p 对应 ,以此类推。
里德伯常数:
径向部分波函数
径向分布:找到电子出现在 中的概率 ,可得:
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,
其中 ,因此磁矩也是量子化的。
习题
氢原子的定态波函数为 , 代表位置概率密度。电子出现在 球壳内的概率为:
试计算 时氢原子的电子角动量的大小的可能取值。
大小为:
氢原子处于 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 轴的夹角。(不可能同时确定 )
可以取 ,此时 可以取 .
夹角为 .
已知氢原子基态的径向波函数为:
通过:
处于基态的氢原子在多大半径出现的概率最大:.
求动能的期待值 .
先算
其中:
利用:
可得 . 和经典物理类似。
氢原子处在基态
求 的平均值。
利用:
势能 的平均值。
径向概率分布:
最可几半径:
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
是波函数在 位置 表象中的表示;
是波函数在 动量 表象中的表示;
,其中 是属于 能量 的定态波函数,则 称为波函数在 能量 表象中的表示。
对于厄密算符 来说,设 是属于厄密算符 的本征值 的本征波函数,则称 称为波函数在 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:
因此:
态矢归一化可以表示为 ;
两个态矢相互正交可以表示为 .
基矢 的正交归一完备性可以表示为:
若 ,则:
态下测量 的期待值(算符 的期待值)
算符的定义与薛定谔方程
定态含时 狄拉克符号表示态矢的外积
作用在任意右矢 的结果是右矢,所以 是算符。总结:
是常数;
是常数;
是算符。
例题 若 是正交归一完备的基矢。求证 .
例题 对于任何两个代表不同状态的态矢量 及 (未归一化),试证明下列 Schwarz 不等式:
等于证明:
证明:令,并令
由于 代表不同状态,所以 ,即
所以 ,亦即 .
例题 假如 是一个归一化的态矢,算符
称为投影算符。证明
投影算符是等幂的:.
使用右矢 作用,可得
是厄密算符吗?
求出 的本征值,描述它的本征矢量。
假设 ,则 ,因此 或 .
波函数的矩阵表示
右矢的矩阵表示
力学量完全集 所有共同本征函数 构成一个完备正交的基矢,这样任何一个态矢 都可以展开为:
用 描述体系状态。
各基矢 在自身表象中的矩阵形式为:
是态矢量 在各基矢方向的分量,如同坐标分量。
左矢和内积的矩阵表示
左矢的矩阵表示: 排成一个行向量来表示
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
光子偏振态矢
算符的矩阵表示
对于一个算符 来说, 其可以用矩阵描述,其矩阵元素为:
共轭算符及其矩阵表示
定义算符 的共轭算符 , 与 互为共轭。
共轭算符 矩阵是 矩阵的 转置+复数共轭,矩阵元 (第 行,第 列)
共轭算符的运算法则
厄密算符的矩阵表示
是厄密矩阵 例题 证明假如相应于可观测量 的算符 是厄密算符,则 .
算符期待值的矩阵表示
左矢是右矢的转置+共轭
本征方程的矩阵表示
求解 :
定态薛定谔方程的矩阵表示
为 矩阵的特征值。
含时薛定谔方程的矩阵表示
初始条件:已知 .
例题 设 为态矢, 即 有限,证明:
例题 设相应于一个例子的物理量的算符 只有两个本征函数 和 ,他们的本征值分别为 和 ,两者不等,粒子的任一一个态都可以表示为:
算符 定义为:
证明算符 是厄密算符。
求算符 的本征值以及相应的归一本征函数。
归一本征函数:
若粒子处于态 ,求在该态下测量 的期待值。
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,,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 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 表示, 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:
由于 与 相互对易,它们具有共同的本征态;
的本征值由 自旋量子数 决定,本征值为 ;自旋量子数 可取不小于 的整数和半整数:.
的本征值由自旋磁量子数 决定,本征值为 。自旋磁量子数 可取整数或半整数;自旋量子数 给定,则: 共 种取法。
与 的共同的本征态 用两个量子数 和 来表征:
注:若定义 ,则:
S-G 实验测量 有两个测量可能值 .
电子的自旋量子数:;电子的自旋磁量子数 .
电子自旋 的共同本征态:
可得,
正交:;
归一:;
完备:;
矩阵表示:
在 表象的矩阵表示:
在 表象的矩阵表示:
为了简化计算,引入 无量纲的泡利自旋算符 ,定义为:
注:也可得关系 .
可以证明泡利自旋算符的对易关系:
注:因为 ,且 ,所以 。
或者 .
泡利矩阵 在 表象的矩阵表示:
可以说明:
例题 证明泡利算符具有反对易关系 。
因为 ,所以反对易。
例题
在 表象中求解 的本征值与本征态。
先列出关于 的久期方程。可得:
求在 态下测量 的期待值。
例题
一个粒子处在自旋态
求出 .
求出 和 的期待值。
求出 和 的“不确定度”
证实你的结果符合不确定关系。
电子波函数
考虑到自旋,电子波函数可以表示成
其中 表示 时刻找到电子 并且处于 点单位体积内的概率幅; 同理。
归一化:
位置概率密度 :
引入自旋后,任一自旋算符的函数 在 表象表示为 矩阵:
算符 在 态中对坐标和自旋同时求平均的期待值是:
如果自旋和轨道运动相互作用较小,则:
其中 称为自旋波函数:
习题 1-38
求解电子自旋 的本征矢;
并以 的本征矢为基矢将 的本征矢展开;
在 的本征态下测量 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 概率为 ,本征值为 概率也为 .
平均值为零。
习题 1-37
设电子自旋的 分量是 ,求沿着与 轴成 角的 轴方向,自旋的分量等于 或 的概率。
电子自旋的状态可以表示为:
满足
只要分解 .
通过分解:
并求 的本征态和本征值,可得
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 ,表示态矢的量子数分别为:轨道量子数 和 轨道磁量子数
问测量 的可能值?相应的概率和期待值?
利用:
的本征值为 .
的本征值为 .
的本征值为 .
| 可能值 | 相应的概率 | 期待值 |
---|
| | | |
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| | | |
例题
对于波函数
求:
能量的可能值、概率。
概率分别为 .
.
找到粒子处在半径为 的球体内的概率。
原子光谱的精细结构
电子的角动量
其中 .
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。 相同,不同的 组成分壳层,对于 的壳层分别用 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 和 自旋 的粒子称为全同粒子。
单粒子波函数用 描述,而多粒子体系波函数用 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。
因为 ,所以 .
,交换对称,用 表示;
,交换反对称,用 表示。
例如,对于波函数 ,是交换对称的,,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。
费米子,自旋为半整数,。
玻色子,自旋为整数,.
如光子,胶子, 粒子(氦核)
不满足泡利不相容原理。
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