经典力学与量子力学中的一维谐振子
量子力学33一维谐振子
• 谐振子能量：
E 1 2 A2
2
经典允许的振动范围
2.量子谐振子
量子力学中的线性谐振子是指在势场 V (x) 1 2x2 中
运动的质量为 的粒子
2
自然界广泛碰到简谐振动，任何体系在平衡位置附近的小 振动，例如分子振动、晶格振动、原子核表面振动以及辐射 场的振动等往往都可以分解成若干彼此独立的一维简谐振动。 简谐振动往往还作为复杂运动的初步近似，所以简谐振动的 研究，无论在理论上还是在应用上都是很重要的。
理想的谐振子是一个无限深势阱，
因为| x | 时，V (x) ， (x) 0为束缚态。
为化简上述方程，方便求解，引进无量纲参数
x, / , 2E /
上述方程可化为
d2
d2
(
)
(
2
)
(
)
0-------------------
2
这是个变系数常微分方程。
(1)先讨论 行为，求渐近解
W0 (x) 0 (x) 2
e 2x2
π
在其它范围也能找到粒子。
经典：
在x 0处粒子的速率最大，概率最小。
基态谐振子只允许在 | x | 1(| | 1)的区域 中运动，而 | x | 1属于经典禁区。
当振子处于最大位移处时，势能=总能量
V (x) 1 2x2 =E= 1
2
2
x2
§3.3 一维谐振子
引 言 1.经典谐振子
在经典力学中，当质量为 的粒子，受弹性力 F k x 作
用，由牛顿第二定律可以写出运动方程为：
d2x dt 2
k
x
x 2x 0
k
其解为 x Acost 。这种运动称为简谐振动，作这种运
量子力学课件(7)( 一维线性谐振子)
) e
1 2
1 − α 2 x2 2
H n (α x ),
1 En = (n + )hω . 2
波函数
ψ n ( x) =
第二章 §8 一维线性谐振子 ，在经典情形下，粒子将被限制在|α薛定谔方程 以基态为例， 以基态为例 在经典情形下，粒子将被限制在|α x|< 1
范围中运动。这是因为振子在这一点(|αx| 1)处 范围中运动。这是因为振子在这一点(|αx| = 1)处，其势能 2 x2 = {1/2} ħω= E ，即势能等于总能量，动能 V(x)=(1/ 2)mω ω= 0 即势能等于总能量， 为零，粒子被限制在阱内。 为零，粒子被限制在阱内。
为简单计，引入无量纲变量ξ代替x 为简单计，引入无量纲变量ξ代替x，
令：
§8 一维线性谐振子
ξ =αx
第二章 薛定谔方程
其中
α =
mω ， h
方程可改：
d2 + [2ε − ξ 2 ]ϕ (ξ ) = 0 dξ 2
其中
E ε= hω
此式是一变系数 二阶常微分方程
取能量单位、 取能量单位、长度单位 设定边界条件、束缚态条件、 设定边界条件、束缚态条件、意思是谐振 子出现在无穷处的概率为零。 子出现在无穷处的概率为零。
9.3 谐振子的本征值和本征函数
§8 一维线性谐振子
第二章 薛定谔方程
ϕ n (ξ ) = c n H n (ξ ) e
−ξ 2 / 2
1 εn = n + 2
上式中,n=0,1,2,3,……。其中， 上式中,n=0,1,2,3,……。其中，归一化常数 ,n=0,1,2,3,……
c n = ( π 2 n !)
一维谐振子在第一激发态下x的平均值
一维谐振子在第一激发态下x的平均值一维谐振子是量子力学中的一个重要模型，它可以用来解释原子和分子的振动。
在一维谐振子的量子力学模型中，我们可以通过求解薛定谔方程来得到系统的能级和波函数。
本文将探讨一维谐振子在第一激发态下x的平均值，并通过数学推导和物理解释进行详细说明。
一、一维谐振子模型1. 一维谐振子的势能函数在一维谐振子的模型中，势能函数可以表示为V(x)= 1/2 kx^2，其中k为弹簧常数，x为粒子的位移。
2. 薛定谔方程一维谐振子的薛定谔方程可以写作(-h^2/2m) d^2ψ/dx^2 + (1/2kx^2)ψ = Eψ，其中h为普朗克常数，m为粒子的质量，ψ为波函数，E为能量。
二、一维谐振子的波函数1. 解薛定谔方程通过数学方法可以求解一维谐振子的薛定谔方程，得到系统的能级和波函数。
在第一激发态下，波函数可以表示为ψ_1(x)。
2. 计算x的平均值一维谐振子在第一激发态下x的平均值可以表示为<x> =∫x|ψ_1(x)|^2 dx，通过对波函数的模平方与x的乘积进行积分求得。
三、x的平均值的物理意义1. 平衡位置一维谐振子在经典力学中具有平衡位置，即势能函数的最小值对应的位置。
x的平均值可以用来描述量子态下粒子的平均位置，与经典力学中的平衡位置相对应。
2. 对称性一维谐振子在量子力学中具有一定的对称性，x的平均值可以帮助我们理解系统在量子态下的对称性质。
四、数学推导1. 波函数的表达式通过求解薛定谔方程，我们可以得到一维谐振子在第一激发态下的波函数ψ_1(x)的表达式。
2. x的平均值计算将波函数的模平方与x的乘积进行积分，即可计算出x的平均值。
五、物理意义解释1. 平均位置x的平均值可以帮助我们理解谐振子在量子态下的平均位置，这有助于我们对系统的性质进行更深入的理解。
2. 波函数的振动一维谐振子在量子态下具有特定的波函数形式，在第一激发态下，波函数会呈现一定的振动特性。
一维量子谐振子的概率分布.
一维量子谐振子的概率分布摘要：线性谐振子问题作为一种普遍的模型，所以在经典力学中和量子力学中都受到很大关注。
并且谐振子包括很多类型，我们就先研究量子谐振子的问题。
量子谐振子是很多复杂物理模型的基础，量子谐振子在前几个量子态时，概率密度与经典情况相差较多，随着量子数的增加，随之相似性也会增加。
可以通过使用数学软件将量子谐振子的概率分布绘制成图像，从而得出一维量子谐振子的概率分布。
关键词：经典谐振子一维量子谐振子波函数量子谐振子概率分布1.引言：谐振子的振动是一种很常见的物理模型，它在很多方面得到应用。
谐振子大体可分为经典力学和量子力学两部分，谐振在运动学就是简谐振动，这样的振动是物体在某一位置附近往复偏离该振动中心位置，在这样的振动方式下，物体所受到的力的大小总是与它偏离平衡位置的大小成正比关系，并且物体总是受到指向平衡位置的力。
谐振子具有周期运动的物理特征，一些复杂的物理基础可以运用谐振子运动来解决。
通过对经典谐振子的研究，得到经典谐振子的函数关系式。
再利用量子力学中的不确定关系得到量子谐振子的能量最低点，即平衡位置，最后得到谐振子的波函数，从而得到了谐振子的概率。
随着量子数的增加，利用软件Mathematica绘制一维量子谐振子的概率分布。
再和经典的线性谐振子来作比较，得到经典谐振子的关系。
2.经典一维谐振子：首先让我们谐振子在物理中是非常常见的模型，我们很早就已经接触过，并且有了一定的了解。
下面来讨论一维弹性力的一维简谐振子。
例如：质量为m的物体放在光滑的桌面上，在其水平的方向上受到一个弹簧作用，在某一位置处质点所受力的大小为零，则把这一点叫做平衡位置。
弹簧的劲度系数为k，物体m在弹簧弹性力的作用下沿弹簧方向运动，作用于质点的力和质点距离平衡位置的位移成正比，这样受力的质点就是一个典型的一维简谐振子。
大家都知道，质量为m的质点在做简谐振动的过程中用x来表示质点便偏移平衡位置的距离，也就是质点的位置，也是弹簧的伸长或压缩的量。
证明一维谐振子不确定度
证明一维谐振子不确定度标题：证明一维谐振子不确定度简介：本文将通过详细证明的方式，阐述一维谐振子的不确定度原理，展示其与量子力学的关联及应用。
正文：一维谐振子是量子力学中的一个基本模型，其不确定度原理在解释微观粒子的行为中发挥着重要作用。
下面，我们将通过详细的证明来说明一维谐振子的不确定度。
首先，我们将一维谐振子的波函数表示为Ψ(x)，其中x表示位置。
根据量子力学的原理，位置算符为x，动量算符为p。
我们知道，位置和动量之间存在着不确定度关系，即根据海森堡不确定度原理：ΔxΔp≥ℏ/2其中，Δx表示位置的不确定度，Δp表示动量的不确定度，ℏ是普朗克常数。
接下来，我们将证明一维谐振子的不确定度与其能量的不确定度之间存在着特殊的关系。
首先，我们考虑一维谐振子的能量算符E。
根据量子力学的理论，能量算符E与位置算符x有如下关系：E=-ℏ^2/2m*d^2/dx^2+1/2*kx^2其中，m是质量，k是劲度系数。
现在，我们来计算能量算符E的期望值和平方的期望值。
首先，能量算符E的期望值可以表示为：<E>=∫Ψ*EΨdx其中，Ψ*表示Ψ的共轭。
接下来，我们来计算能量算符E的平方的期望值：<E^2>=∫Ψ*E^2Ψdx通过数学计算，我们可以得到：ΔE^2=<E^2>-<E>^2=(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2继续化简，我们可以得到：ΔE^2=(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2=∫Ψ*(E^2-E^2)Ψdx=∫Ψ*(E^2-E^2)Ψdx=∫Ψ*(E^2-E^2)Ψdx=(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2 =(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2 =(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2 =(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2 =(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2 =(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2 =(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2 =(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2 =(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2=(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2=(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2=(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2=(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2=(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2=(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2=(∫Ψ*E^2Ψdx)-(∫Ψ*EΨdx)^2通过以上的计算，我们可以得到能量的不确定度ΔE。
§3-2薛定谔方程 一维谐振子问题
度为a。则冲力为
F
2px
vx 2a
p
2 x
me a
将算符
pˆ
2 x
(i )2 x
2
x 2
代入上式，得
F
2 me a
2 x2
因电子是处于基态，则
1
1
2 sin x aa
6
电子对阱壁的平均冲力为
F
a
0
1
Fˆ
1dx
2π22 me a 4
a
0
sin
2
πx dx
a
2π 2 me a3
π
0
sin
由图可见，量子数n较小时，粒子位置的概率密度 分布与经典结论明显不同。随着量子数n的增大，概 率密度的平均分布将越来越接近于经典结论。
5
例1 一个电子被束缚在一维无限深势阱内，势阱宽度 为1.011010m。求当电子处于基态时对阱壁的平均冲 力。
解 设电子的质量为me，速度为vx，动量为px，势阱宽
§3-2 薛定谔方程
一维谐振子问题
一、一维谐振子的定态薛定谔方程
经典力学中，简谐振动为 x Acos(t )
系统的势能为 U( x) 1 kx2 1 2 x2
2
2
简谐振子的能量为 E 薛定谔方程，得
[
2
2
d2 dx 2
1 2
2 x2 ] ( x)
(
x)
n
( x)dx
1
，得
Nn
( 1
2 2n
)1 n!
2
时间因子的一维谐振子的定态波函数为
n (x,t) n (x)eiEnt/
Nn (x)e2x2 2Hn (x)eiEnt/
一维谐振子与量子力学的简正模
一维谐振子与量子力学的简正模一维谐振子是量子力学中经典物理中的一个重要模型。
它的简正模是量子力学中研究谐振子性质的基本工具之一。
首先，让我们先来回顾一下经典物理中的一维谐振子。
在经典物理中，一维谐振子可以用一个均匀弹性棒和一个固定在一端的质点构成。
弹性棒的弹性系数和质点的质量决定了谐振子的固有频率。
当弹性棒偏离平衡位置时，会受到回复力的作用，使谐振子回到平衡位置，形成周期性的振动。
谐振子的运动可以用振幅、频率和相位等参数来描述。
在量子力学中，一维谐振子的简正模类似于经典物理中的固有频率。
但是，由于量子力学的存在，量子力学中的一维谐振子并不像经典物理中那样，可以处于任意能量状态。
相反，在量子力学中，一维谐振子只能处于一个离散的能量状态，称为简正模。
这些简正模对应于不同的能级，而能级之间的能量差是固定的。
量子力学中的一维谐振子的简正模可以用算符来描述。
算符是量子力学中非常重要的工具，它们用来描述物理量的变换和性质。
对于一维谐振子，位置和动量是两个非常重要的物理量。
对应于位置和动量的算符分别是位置算符和动量算符。
这两个算符满足一些特定的对易关系，这些对易关系决定了一维谐振子的简正模的性质。
例如，位置算符和动量算符之间的对易关系可以写为[x, p] = iħ，其中x表示位置算符，p表示动量算符，[x, p]表示它们的对易子，ħ是普朗克常量除以2π。
这个对易关系表明，位置和动量不能同时精确确定，而是存在一定的不确定性。
这也是著名的海森堡不确定性原理的一个具体体现。
通过求解一维谐振子的定态薛定谔方程，我们可以得到一维谐振子的简正模的波函数形式。
一维谐振子的波函数是一个关于位置的函数，它描述了粒子在不同位置的概率分布。
一维谐振子的简正模的波函数是驻波形式的，也就是说，它在空间中有固定的振动模式。
简正模的波函数是离散的，而且对应的能量也是离散的。
这些简正模的波函数的形式和特性可以用波函数的正交性和归一化条件来求解。
量子力学3.3一维谐振子
量子隧道效应实验
总结词
量子隧道效应实验是用来验证量子力学中隧 道效应的实验方法，通过观察粒子穿越障碍 物的现象，可以证明粒子具有穿越障碍物的 能力。
详细描述
在量子隧道效应实验中，粒子在一定能量下 可以穿越高于其自身能量的势垒，这种现象 被称为量子隧道效应。实验中可以通过测量 穿越势垒的粒子数量和能量分布，来验证量 子力学中隧道效应的预测。
子不同。
干涉实验
总结词
干涉实验是用来验证量子力学中波动性 质的另一种实验方法，通过观察粒子在 通过两个相距较近的障碍物后产生的干 涉现象，可以进一步验证量子力学的正 确性。
VS
详细描述
在干涉实验中，粒子通过两个相距较近的 障碍物后，会在屏幕上产生类似于水波通 过两个相距较近的小孔后产生的干涉条纹 。这进一步证明了粒子具有波动性质，并 且其行为方式与经典物理中的粒子不同。
05
CATALOGUE
一维谐振子的实验验证
双缝实验
总结词
双缝实验是用来验证量子力学中波动性质的经典实验，通过观察电子通过双缝后的干涉 现象，可以证明电子具有波动性。
详细描述
在双缝实验中，电子通过双缝后会在屏幕上产生干涉条纹，类似于水波通过两个相距较 近的小孔后产生的干涉现象。这表明电子具有波动性质，其行为方式与经典物理中的粒
经典力学中的一维谐振子
1
在经典力学中，一维谐振子通常由弹簧和质点组 成，其运动方程为 Hooke定律。
2
一维谐振子的能量与其振幅的平方成正比，当能 量增加时，振幅也会增加，导致系统的不稳定性 。
3
在经典力学中，一维谐振子的运动轨迹是确定的 ，可以用经典力学方程进行描述。
02
CATALOGUE
一维谐振子基态和激发态的波函数
标题：深度探讨一维谐振子基态和激发态的波函数一、引言一维谐振子是量子力学中的经典问题之一，它的波函数描述了粒子在谐振势场中的运动状态。
在本文中，我们将深入探讨一维谐振子的基态和激发态的波函数，分析其数学形式和物理意义，以帮助读者更好地理解这一重要概念。
二、基态的波函数让我们来分析一维谐振子的基态波函数。
基态对应能量最低的状态，其波函数通常用Ψ₁(x)来表示。
在一维谐振子中，基态波函数可以用简单的数学形式进行描述：Ψ₁(x) = (mω/πħ)^(1/4) * e^(-mωx²/2ħ)其中，m是粒子的质量，ω是振子的角频率，ħ是约化普朗克常数。
这个波函数描述了基态下粒子在空间中的分布情况，通过对波函数的形式和特性进行分析，我们可以了解到粒子在基态下的基本运动状态和概率分布规律。
在基态下，粒子处于能量最低的状态，波函数的峰值对应着粒子最有可能出现的位置。
基态波函数的特性还可以通过数学手段进行分析，例如计算平均位置、动量期望值等，这些都能帮助我们更好地理解基态下粒子的运动规律和物理性质。
三、激发态的波函数接下来，我们将讨论一维谐振子的激发态波函数。
激发态对应能量高于基态的状态，其波函数通常用Ψ₂(x)来表示。
在一维谐振子中，激发态波函数的数学形式相对复杂一些，但通过分析和理解其特性，我们同样可以获得丰富的物理信息。
激发态波函数通常包含更多的波峰和波谷，描述了粒子在激发状态下的空间分布情况。
通过比较基态和激发态波函数的形式和特性，我们可以发现它们之间的微妙差别，并据此推断粒子在不同能级状态下的运动规律和行为。
激发态波函数的数学性质也具有重要意义，例如其振幅、波长、频率等特征参数都可以提供宝贵的信息。
通过对激发态波函数进行分析，我们可以更全面地理解粒子在谐振势场中的非基态运动状态，为进一步研究和应用提供重要的参考依据。
四、总结与展望通过本文的深度探讨，我们对一维谐振子的基态和激发态波函数有了全面的理解。
经典力学与量子力学中的一维谐振子
经典力学与量子力学中的一维谐振子物理与电子信息工程学院物理学[摘要]一维谐振动是一种最简单的振动形式，许多复杂的运动都可分析为一维谐振动。
本文以一维谐振子为研究对象，首先讨论经典力学与量子力学中的一维谐振子的运动方程和能量特征，然后分析坐标表象以及粒子数表象下的一维谐振子，最后讨论经典力学与量子力学中的一维谐振子的区别与联系。
[关键词]谐振子经典力学量子力学运动方程能量分布1 前言所谓谐振，在运动学中就是简谐振动。
一个劲度系数为k的轻质弹簧的一端固定，另一端固结一个可以自由运动的质量为m的物体，就构成一个弹簧振子[1]。
该振子是在一个位置（即平衡位置）附近做往复运动。
在这种振动形式下，物体受力的大小总是和它偏离平衡位置的距离成正比，并且受力方向总是指向平衡位置。
这种情况即为一维谐振子。
一维谐振子在应用上有很大价值,因为经典力学告诉我们只要选择适当的坐标,任意粒子体系的微小振动都可以认为是一些相互独立的振子的运动的集合。
普朗克在他的辐射理论中将辐射物质的中心当作一些谐振子,从而得到和实验相符合的结果。
在分子光谱中,我们可以把分子的振动近似地当作谐振子的波函数。
另外在量子场论中电磁场的问题也能归结成谐振子的形式。
因此在量子力学中,谐振子问题的地位较经典物理中来得重要。
应用线性谐振子模型可以解决许多量子力学中的实际问题。
本文将以一维谐振子为研究对象，首先分别讨论经典力学与量子力学中一维谐振子的运动方程和能量特征，然后讨论坐标表象以及粒子数表象下的一维谐振子，最后分析经典力学与量子力学中的一维谐振子的区别与联系并简要讨论经典力学与量子力学的过渡问题。
从而帮助我们更加深入的理解一维谐振子的物理实质，充分认识微观粒子的波粒二象性。
2 经典力学中的一维谐振子在经典力学中基本方程以牛顿定律为基础，研究质点位移随时间变化的规律，反映质点特征的是运动方程和能量。
因此我们可以从运动方程和能量这两方面出发讨论一维谐振子的运动特征。
谐振子在经典力学与量子力学中的比较
谐振子在经典力学与量子力学中的比较阿丽娅.阿力木 李曜 陆能超 （数理信息学院 物理082）【摘要】谐振子问题既是经典力学，又是量子力学中的一个基本问题。
本文主要介绍了 在Heisenberg 表象中，对于x 、p 、T 、V 和H 的期望值的计算并同经典谐振子的相应力学量进行了比较。
推出经典谐振子动量-位置不确定关系，并且与量子谐振子的不确定关系之间进行比较。
【关键词】经典 量子 谐振子 期望值 不确定关系1、引言经典力学中，一个谐振子乃一个系统，当其从平衡位置位移，会感受到一个恢复力F 正比于位移x ，并遵守胡克定律：F=kx ，其中k 是一个正值常数。
如果F 是系统仅受的力，则系统称作简谐振子（简单和谐振子）。
而其进行简谐运动——正中央为平衡点的正弦或余弦的振动，且振幅与频率都是常数（频率不与振幅相依）。
若同时存在一摩擦力正比于速度，则会存在阻尼现象，称这谐振子为阻尼振子。
在这样的情形，振动频率小于无阻尼情形，且振幅随着时间减小。
若同时存在一与时间相依的外力，谐振子则称作是受驱振子。
力学上的例子包括了单摆（限于小角度位移之近似）、连接到弹簧的质量体，以及声学系统。
其他的相类系统包括了电学谐振子在量子力学里，量子谐振子是经典谐振子的延伸。
其为量子力学中数个重要的模型系统中的一者，因为一任意势在稳定平衡点附近可以用谐振子势来近似。
此外，其也是少数几个存在简单解析解的量子系统。
量子谐振子可用来近似描述分子振动。
2、经典力学中的谐振子2.1坐标和动量的期望值)sin(cos sin 00ϕωωωωω+-=><+><-=><t A m t p t x m p t（1）式中：2020)()(ωm p x A ><+><= （2）0tan ><><-=x m p ωϕ （3）2.2势能和动能的期望值})]([)(cos {212222t x t A m E t p ∆++=><ϕωω （4） }])([)(sin {212222ωϕωωm t p t A m E t k ∆++=>< （5）其中：0222])()([)()]([>><-=<>><-=<∆t p t p p p t p t t （6） 02022])()([)()]([>><-=<>><-=<∆t x t x x x t x t t （7）2.3哈密顿量的期望值}])([)]({[212122222ωωωm t p t x m A m H t ∆+∆+=>< （8）3、量子中的谐振子3.1升降算符+a 与-a 的引入一维谐振子的Hamilton 量为2222121x m mH pω+= （9） 令+a 、-a 、x 、p 和H 间有如下关系)(21x m ip m a ωω+-=+ （10）)(21x m ip m a ωω++=- （11）)()2(21-++=a a m x ω（12）)()2(21-+-=a a m i p ω （13）)21(2121222+=+=-+a a x m mH pω ω （14） 则有1],[=+-a a ,ω --=a H a ],[,ω ++-=a H a ],[ （15）3.2谐振子在Heisenberg 表象//)(iHt iHt de e t a --= (16)//)(iH t iH t dea et a -++= (17)式(16)对t 求导，并利用对易式(15)，即得方程)(],[)(//t a i e a H e i t a dt d iHt iHt ----==ω（18） 解为ti t i de e a t a ωω----==)0()( （19） 取其共轭，即得ti e a t a ω++=)( （20） 将式(12)、(13)换成Heisenbeg 表象，即得tm pt x e a de m t a t a m t x t i t i ωωωωωωωsin cos )()2()]()([)2()(2121+=+=+=+-+- （21）txm t p de e a m i t a t a m i t p t i t i ωωωωωωωsin cos )()2()]()([)2()(2121-=-=-=-+-+ （22）即中x 即x=(t=0)，P 即P(t= 0)，(21)、(22)在经典力学中也是成立的。
16-4 一维谐振子问题
v − i h∇ ⇔ p
a v ∗ ˆ p = ∫ ψ pψdx
=0
2 a nπx d nπx = ∫ sin (−ih ) sin dx a 0 a dx a
0
在一维无限深方势阱中， 在一维无限深方势阱中，粒子位置与动量的平均 值与粒子所处的本征态的级数， 没有关系。 值与粒子所处的本征态的级数，即 n 没有关系。 粒子的动能的平均值： 粒子的动能的平均值： 在势阱内部，势能为零， 在势阱内部，势能为零，则粒子的动能也就是其总能 在定态问题中，总能量算符也就是哈密顿算符。 量。在定态问题中，总能量算符也就是哈密顿算符。
α=
µω
最简单的几个厄米多项式为： 最简单的几个厄米多项式为： n=0,
H 0 (ξ ) = 1,
n=1,
H 1 (ξ ) = 2ξ ,
− iEnt / h
n=2,
H 2 (ξ ) = 4ξ 2 − 2 ,
一维谐振子的波函数的一般形式为
ψ n ( x, t ) = ψ n ( x)e
= N ne
−α 2 x 2 2
————一维谐振子的定态薛定谔方程 一维谐振子的定态薛定谔方程 ————一维谐振子的能量本征值方程 一维谐振子的能量本征值方程
h2 d2 1 2 2 + µω x ψ ( x) = Eψ ( x) − 2 2 2 µ dx
为了简洁起见，引入三个无量纲参量： 为了简洁起见，引入三个无量纲参量：
a
2
πx dx a
=
2 πh 2 me a
3
∫0 sin
−7
π
me a3
= 1.17 × 10 N
试求： 例2:如果粒子的波函数为 ψ ( r , θ , ϕ ) ，试求： 如果粒子的波函数为 内找到粒子的概率； 在r到r+dr的球壳内找到粒子的概率； 到 的球壳内找到粒子的概率 要求概率，只要确定概率密度和相应的体积。 解: 要求概率，只要确定概率密度和相应的体积。 球坐标系下的体积元的表达式： 球坐标系下的体积元的表达式：
52_7一维谐振子
n 2 U(x)
n很大
随量子数n增大，量子谐振子的
几率密度迅速震荡，其平均值与 经典结果趋于符合。相似性逐渐 增大。在原点速度最大，停留时 间短，粒子出现的几率小；在两 端速度为零，出现的几率最大。
n=3
n=2 n=1
0
x
符合玻尔对应原理。
10
* 线性谐振子波函数的宇称
n (x) n (x)
力学量测量值的偏差： 由不确定关系：
14
由不确定关系证明了一维谐振子的基态能：
15
• 力学量算符必须是线性厄米算符
1.力学量用算r符表r达ˆ
p pˆ i
与动量有关的经典力学量，其量子力学所
对应的算符可用动量的对应关系得出。
Ek
Tˆ
2 2m
2
2 2m
2 ( x2
Cn2为 (x)中包含n(x)状态的百分比。
力学量 A 的平均值
在状态 (x)上对力学量A作多次（大数）测量，
则
2
A Cn
n1
An 可证
A *( x)Aˆ ( x)d x
21
• 力学量算符必须是线性厄米算符
线性厄米算符的性质：
厄米算符
* 厄米算符的本征值必为实数。 * 厄米算符的平均值必为实数。
2m
就是能量算符的本征方程， Hˆ [ 2 2 U (r)]
2m
n就是能量取本征值En时的本征函数18动Fra bibliotek算符的本征值方程
式中 是动量算符的本征值，在直角坐标系下
为 px、py、pz均为实数。动量本征值方程的解
在坐标表象中：
量子谐振子和谐振子的耦合
(2)运动范围不同
对于总能量相同的经典谐振子和量子谐振子,比如总能量都
等于 1 ，我们看一下两种振子的运动范围：
2
对经典谐振子,有
E
E动能
E势能
1 2
E 1 mv2 1 m2x2 1
2
2
2
1 m2x2 1 1 mv2 0
2
22
1
xmax
m
即,经典谐振子被 局限在振幅范围内!
对量子谐振子,当
§13-3 量子谐振子和谐振子的耦合
1、何为（一维）谐振子
经典力学中：质量m的粒子在弹性力F=-kx的作用下做往复 运动，称为谐振子；
经典力学中谐振子运动的弹性势能为 U 1 m；2x2
2
量子力学中的线性谐振子是指在 U 1 m的2势x2 场中做一维运动
的粒子。
2
2、一维谐振子的定态薛定谔方程
2
[ 2 U r ] (r ,t) E (r ,t)
2m
对一维谐振子，有：
则有：
U 1 m2x2
2
2
[ 2m
d2 dx2
1 m2 x2 ]
2
E
3、定态薛定谔方程的解(本征值和本征函数)
En
(n 1) 2
, n 0,1, 2,
厄米多项式
本征函数： n
x
1 2x2
Nne 2 Hn ( x)
到粒子的几率为零。
而经典力学的谐振子（红线）在势阱内每一点上都能找到粒子没 有节点.n x 2 Nhomakorabea-4
-2
2
4
当能级n越小，经典和量子谐振子的几率情况差别越大，当 n增大，相似性也随之增加，当n=10时，量子和经典的两 种情况在平均上已相当符合，差别只在于量子情况下几率 的迅速振荡而已。
经典谐振子与量子谐振子
线性谐振子问题 在经典力学中和量 子力学中都 是一个 倍 受关注的 问题。 它的 重要 性 在于 自然 界 中广 泛 碰到 简 谐 运 动 , 许多体系都可以近似地看作线性谐振子。 本文将从经典和 量子两 个角 度来 研究 谐振 子 , 探 讨经 典 谐振子与量子谐振子 的区别与联系以及 由此引发的 对其量 子 特性的一些思考。 1 经典力学中的 谐振子 在经典力学中 , 谐振子问题可用下 面的方式来 表述 [ 1 ] 。 一 质量为 M 的质点沿 OX 轴运动 , 它所受到的 回复力 F ( x ) 可从 力函数 V(x ) 的 微商得到。 力函数
2006 年 8 月 第 23 卷第 8 期
湖北教育学院学报 Journal o fH ubei Institute of Education
Aug . 2006 V o.l 23 N o . 8
经典谐振子与量子谐振子
刘 明
430205) (湖北教育学院 物理与电子工程系, 武汉
摘要 : 线性谐振子问题在经典力学中和量子力学 中都是 一个倍 受关注 的问题 , 它的 重要性 在于自 然界中 广泛碰 到简 谐运动 , 许多体系都可以近似地看作线性谐 振子 。 本文 从经典 和量子 两个角 度对谐 振子问题 进行了 研究和 比较 , 并 用测不准关系探讨了零 点能问题 。 关键词 : 谐振子 ; 零点能 ; 测不准关系 ; 波粒 二象性 中图分类号 : 04131. 1 作者简介 : 刘 文献标识码 : A 文章编号 : 1007- 1687( 2006) 08- 0006- 03 明 ( 1962- ), 女 , 教授 , 研究方向为量子物理、 高能多重产生唯象学。
2 [ 4] [ 5]
去 , 所以方程 ( 14 ) 可写为 : d 2 #(x ) 2 = ∃ #(x ) 2 d∃ 不难证明它的解为 : #(x ) ~ e 要求 ∃∀ 负号。 不妨令方程 ( 14 ) 的解为 : #( ∃) = e∃2 2 ∃2 / 2
量子力学中的量子力学谐振子模型
量子力学中的量子力学谐振子模型量子力学谐振子模型是量子力学中最简单且最重要的模型之一。
它的研究对于理解量子力学的基本原理和应用具有重要意义。
本文将从谐振子的经典模型入手，逐步介绍量子力学谐振子模型的基本概念、数学表达和物理意义。
首先，我们回顾一下经典力学中的谐振子模型。
经典力学中的谐振子是指一个质点在势能为二次函数的势场中运动的系统。
它的运动方程可以用二阶常微分方程来描述。
在经典力学中，谐振子的势能函数可以写成V(x) = 1/2 kx^2的形式，其中k是劲度系数，x是质点的位移。
根据牛顿第二定律，谐振子的运动方程可以写成m d^2x/dt^2 = -kx，其中m是质点的质量。
这个方程可以通过分离变量的方法求解，得到谐振子的运动方程为x(t) = A*cos(ωt + φ)，其中A是振幅，ω是角频率，φ是初相位。
接下来，我们将经典力学中的谐振子模型引入到量子力学中。
量子力学中的谐振子模型是指一个粒子在势能为二次函数的势场中运动的系统。
它的运动方程可以用薛定谔方程来描述。
在量子力学中，谐振子的势能函数可以写成V(x) = 1/2 kx^2的形式，其中k是劲度系数，x是粒子的位置。
根据薛定谔方程，谐振子的运动方程可以写成iħ dψ/dt = -ħ^2/2m d^2ψ/dx^2 + 1/2 kx^2ψ，其中ħ是约化普朗克常数，m是粒子的质量。
这个方程可以通过分离变量的方法求解，得到谐振子的波函数为ψ(x) = (mω/πħ)^1/4 * exp(-mωx^2/2ħ) * H_n(√(mω/ħ)x)，其中ω是角频率，H_n是厄米多项式。
谐振子的波函数具有一些特殊的性质。
首先，它们是正交归一的。
即∫ψ_n(x)ψ_m(x)dx = δ_nm，其中δ_nm是克罗内克δ符号。
这意味着不同能级的波函数之间不存在重叠。
其次，谐振子的波函数是高度局域化的。
即波函数的最大值出现在平衡位置附近，并且随着能级的增加，波函数在平衡位置附近的峰值变得越来越尖锐。
量子物理2_Schroedinger方程及其应用(谐振子)
分子中的原子或晶格点阵上的原子都可以近似 地看作处于以平衡位置为中心的弹性力场中。 例如：双原子分子中两原子 间的势能 U是其间距 r 的函数。 在稳定平衡点r = r0 处，势能有 r0 一极小值U0。在这点附近，U(r) 可以展成( r -r0 )的幂级数。
U ( r ) 0， 由于 r r r0
, m
2 2mx0 E 2E 记 2
d2 2 ( ) ( )( ) 0 2 d
求解此变系数二阶常微分方程，就可获得波函数。
d 2 2 ( ) 0 2 d 考察波函数( )在 时的渐近行为，发 2 2 2 2 现它在 时很接近 e 或 e 。注意到 波函数的标准条件（概率密度必须有限），只会是
Shrö dinger方程的应用（2）：一维谐振子
1.势能函数 在经典力学中，只要某一个实体在其稳定平衡 点附近作微小振动，便可以用简谐振子模型来描述 它，振子的振动频率为ω 。若振子离开平衡位置位 移了x0 后作简谐振，总能量 E 正比于 x02 。 若选取振动的平衡位置为坐标原点，并选取其 为势能的零点，则振动的势能函数为 2 2 2 1 1 m x U ( x ) kx 2 2 m — 振子质量 ω— 固有频率 x — 位移零点能Fra bibliotek普朗克量子化假设
E0 0 En n 1 1 En ( n ) E 0 量子力学结果 2 2 [电磁场量子化理论获得的结果是 En ( n 1 2) 不是Planck假设的 En n ]
旧量子论中没有零点能的概念，这是由量子力 学给出的新结果。但可以理解，零点能的存在是为 遵守不确定关系必须的最小能量。 如果最小能量为零，则意味着粒子完全静止， 即 r 0 ; p 0 ，不确定关系破坏。 光被晶体散射的实验证实了零点能的存在。
一维量子谐振子问题
(2)E<U0的情况： 此时方程为：
k 2 0,
k32 0,
x 0 or x a 0xa
其中，k3
2(U0 E) 。在粒子从左方入射时有：
A eikx B eikx ,
x0
( x) F ek3x G ek3x ,
0 xa
C
e
ik
x
,
xa
让 和 在 x=0 和 x=a 处连续,我们得到4个方程，从中可
U1(x a) C11U1(x) C12U2 (x) U2 (x a) C21U1(x) C22U2 (x)
3.设Ψ(x)为周期场中同一能量的任意解:
(x) AU1(x) BU2 (x) (x a) ( AC11 BC21)U1(x) ( AC12 BC22 )U 2 (x)
i
]
k1
|
A |2
JD
k1
| c |2 ,
JR
k1
|
A |2
透射系数与反射系数为：
D
JD J
(k12
4k12k22 k22 )2 sin 2 k2a 4k12k22
R
JR J
(k12
(k12 k22 )2 sin 2 k2a k22 )2 sin 2 k2a 4k12k22
显而易见： D R 1
在周期场中，薛定谔方程的能量本征函数有且仅有两个
独立的解Ψ1和Ψ2 ，并满足下列性质：
1(x a) 11(x)
证明：
2 (x a) 22 (x)
1. 若Ψ(x)为薛定谔方程的能量本征函数,则Ψ(x+a)应为方程 对应于同一能量的解的本征函数。
2. 设U1(X)、U2(X)为薛定谔方程的独立能量本征函数，因二 次方程只有两个独立的解，故有：
2.7 一维谐振子问题
V (a) V0
V x
V 0 0 x a x x a
1 2V V0 2! x 2
( x a )2
x a
2V 其中：k 2 x
例如双原子分子，两原 子间的势V是二者相对距 离x的函数，如图所示。 在 x = a 处，V 有一极小 值V0 。在 x = a 附近势 可以展开成泰勒级数：
Hn ( )
归一化系数
封闭形式解：
n d H n ( ) (1) n exp[ 2 ] n exp[ 2 ] d
H n ( ) 的最高次幂是 n 其系数是 2n。 由上式可以看出，
厄密多项式和谐振子波函数的递推关系：
dH n 2nH n 1 ( ) d H n 1 2H n 2nH n 1 0
1 2
（5）厄密多项式 附加有限性条件得到了 H(ξ)的 一个多项式，该多项式称为 厄密 多项式，记为 Hn(ξ)，于是总波 函数可表示为：
2 n N n exp[ 1 ]H n ( ) 2
H 2H ( 1) H 0
H n 2H n 2nH n 0
d n1 d n1
e
]d
2
(1)
2 n 1 N n
[ H n ( )][
d d
d n1 d n1
]d (1)
2 nn Nn dn d n
[
H n ( )]e d
(1)
n ( x)
2 n n! e
2 x 2 / 2
k
为此考察相邻 两项之比：
exp[ 2 ] 1
2
1!
经典力学和量子力学中的谐振子
1.1简谐振子
简谐振子不受驱动力和摩擦力，其合力为： F kx 由牛顿第二定律，且加速度等于x对t的二次微分导数， 得： d 2x m 2 kx dt
k d 2x 2 2 若定义 0 ，则方程可以写为： 0 x 0 2 m dt
其一般解为：
x A cos(0t )
2 m0 A0 1 2 E Ee E p kA0 2 2 2
2 m dx 2 m 0 A0 Ee ( ) cos2 ( 0 t ) 2 dt 2 2 2 1 2 m0 A0 E P kx sin 2 (0 t ) 2 2 2
进一步，对于经典振子： x A0 sin(0t )
1.5完整数学描述
多数谐振子，基本上满足以下的微分方程： d 2 x b dx 2 0 x A0 cos(t ) dt 2 m dt
其中t是时间，b是阻尼常数，是本征角频率，而代表驱 动系统的某种事物，其振幅为A0 ，角频率为ω ，x是进行 振荡的被测量量，可以是位置、电流或其他任何可能的 物理量。角频率与频率f有关，关系式为：
做一维运动的粒子，坐标与动量的差方平均值满足下列不确定关系： 1 (x) 2 (p ) 2 2 4 对于线谐振子而言，在粒子数表象中，基态 0 下的不确定关系为：
(x) 2 (p ) 2
ˆ ˆ 而 0 是降算符 A _的本征态，相应的本征值为0，即 A _ 0 0
于是，可以推测降算符的本征态为最小不确定态，即相干态。 经计算，得到的降算符的本征态为：
其一般解为两个解的和，一个为暂态解,与初始条件相 F0 关；另一个为稳态解为： x(t ) sin(t ) Z m 总结来说，在稳态时，振动频率等同于驱动力的频率,但 振动与驱动力在相位上有偏移，且振幅大小与驱动频率 相关；当驱动频率与振动系统偏好（共振）频率相同时， 振幅达到最大。
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经典力学与量子力学中的一维谐振子[摘要]一维谐振动是一种最简单的振动形式，许多复杂的运动都可分析为一维谐振动。
本文以一维谐振子为研究对象，首先讨论经典力学与量子力学中的一维谐振子的运动方程和能量特征，然后分析坐标表象以及粒子数表象下的一维谐振子，最后讨论经典力学与量子力学中的一维谐振子的区别与联系。
[关键词]谐振子经典力学量子力学运动方程能量分布1 前言所谓谐振，在运动学中就是简谐振动。
一个劲度系数为k的轻质弹簧的一端固定，另一端固结一个可以自由运动的质量为m的物体，就构成一个弹簧振子[1]。
该振子是在一个位置（即平衡位置）附近做往复运动。
在这种振动形式下，物体受力的大小总是和它偏离平衡位置的距离成正比，并且受力方向总是指向平衡位置。
这种情况即为一维谐振子。
一维谐振子在应用上有很大价值,因为经典力学告诉我们只要选择适当的坐标,任意粒子体系的微小振动都可以认为是一些相互独立的振子的运动的集合。
普朗克在他的辐射理论中将辐射物质的中心当作一些谐振子,从而得到和实验相符合的结果。
在分子光谱中,我们可以把分子的振动近似地当作谐振子的波函数。
另外在量子场论中电磁场的问题也能归结成谐振子的形式。
因此在量子力学中,谐振子问题的地位较经典物理中来得重要。
应用线性谐振子模型可以解决许多量子力学中的实际问题。
本文将以一维谐振子为研究对象，首先分别讨论经典力学与量子力学中一维谐振子的运动方程和能量特征，然后讨论坐标表象以及粒子数表象下的一维谐振子，最后分析经典力学与量子力学中的一维谐振子的区别与联系并简要讨论经典力学与量子力学的过渡问题。
从而帮助我们更加深入的理解一维谐振子的物理实质，充分认识微观粒子的波粒二象性。
2 经典力学中的一维谐振子在经典力学中基本方程以牛顿定律为基础，研究质点位移随时间变化的规律，反映质点特征的是运动方程和能量。
因此我们可以从运动方程和能量这两方面出发讨论一维谐振子的运动特征。
一个劲度系数为k 的轻质弹簧的一端固定，另一端固结一个可以自由运动的质量为m 的物体，就构成一个弹簧振子[1]，如图2.1。
当弹簧处于自然长度时，物体处于平衡位置，取作坐标原点，以O 表示。
沿弹簧长度方向（取作x 轴方向）拉动物体然后释放，则物体将在O 点两侧作往复运动。
图2.1 弹簧振子2.1 一维谐振子的运动方程图2.1中的物体可视为一个质点。
设x 代表质点相对于平衡位置的位移，则质点所受的力kx F -=，其中k 为劲度系数。
负号表示F 与位移方向相反，因而总是指向平衡位置。
由牛顿第二定律，谐振子的运动微分方程为：kx xm -= 即 02=+x x ω （2.1.1）这是一个二阶的常系数线性微分方程。
令mk =ω （2.1.2） ω即简谐运动的角频率，由振动系统本身的性质嗦决定。
将（2.1.2）式代入（2.1.1）式，则可求出（2.1.1）式的通解：iwt iwt Ne Me t x -+=)(（2.1.3） )sin(ϕω+=t A这就是谐振子的运动方程[2]。
其中M 和N 是任意常数，由质点的初位置和初速度确定。
A 是振幅，ϕ是初相位。
（2.1.3）式表明质点应作简谐振动[2]。
2.2 一维谐振子的能量在谐振子问题中，振子的总能量可以反映出振子的运动特征。
因此我们可以从谐振子的动能和势能出发，求解谐振子的总能量，进而帮助我们分析振子的运动特征。
由（2.1.3）式可知，振子的速度为：)cos(ϕωω+==t A dtdx v 振子的动能为：)(cos 21)(212122222ϕωω+===t C m dt dx m mv E k 由（2.1.2）式，有： )(cos 2122ϕω+=t kA E k （2.2.1） 由（2.2.1）式可知，振子的动能变化频率为ω2。
振子的势能（以平衡位置的势能为零）为：2021kx Fdx E xp =-=⎰ 即为：)(sin 2121222ϕω+==t kA kx E p （2.2.2） 由（2.2.2）式可知，振子的势能变化频率也为ω2。
因此，由（2.2.1）式和（2.2.3）式可得，振子的总能量为：221kA E E E p k =+= （2.2.3） 由（2.2.3）式可知：谐振子的总能量不随时间改变，即其机械能守恒[3]。
（2.2.3）式还说明：对于一定的振子（m 和k 给定，因而ω给定），总能量与振幅的平方成正比[3]。
振幅不仅给出了简谐运动的运动范围，而且还反映了振动系统总能量的大小，或者说反映了振动的强度。
3 量子力学中的一维谐振子在量子力学中，粒子状态用波函数表示，为了描述微观粒子状态随时间变化的规律，就需要找出波函数所满足的运动方程，即薛定谔方程。
因此下面将从谐振子的哈密顿算符出发，求解振子的定态薛定谔方程，进而分析量子力学中一维谐振子的运动特征。
3.1 用运动方程求解的一维谐振子我们可以从谐振子的势能函数出发，写出谐振子的哈密顿算符及薛定谔方程，并求谐振子的能量和定态波函数的解，进而讨论能量分布特点。
取谐振子的平衡位置0r 为坐标原点，并选原点为势能的零点，则有0)(0=r E p 。
仅考虑一维情况。
由于kz j y i x r ˆˆˆ+-= 在x 轴方向分振动的谐振子在x 处的势能可以表示为：221)(kx x E p =（3.1.1） 势能曲线是一条定点在原点的抛物线，如图3.1所示：图3.1 一维谐振子的势能一维谐振子的经典哈密顿函数为：22212kx m p H +=设振子的原子质量为μ，则振子的频率为：m k=ω振子的哈密顿算符可以写为：22222ˆ212x m dx d m H ω+-=相应的定态薛定谔方程)(ψψE H = 为：)()()212(22222x E x x m dx d m ψψω=+- （3.1.1）这是一个二阶线性微分方程。
如果振子的运动不受限制，x 的变化范围为+∞<<∞-x 。
当∞→x 时，（3.1.1）式的解一般为无穷大，表示振子在无穷远处的几率为无穷大。
这不符合物理要求。
但若振子的能量E 取下列特殊值[4]：ω )21(+=n E )2,1,0( =n （3.1.2） 其中 为普朗克常数，ω为经典力学中谐振子的频率。
则对每一个n 值，方程（3.1.1）都有一个在全区间+∞<<∞-x 中有界的解。
而且当∞→x 时，这个解趋于零。
这显然符合对谐振子问题的物理要求。
与（3.1.2）式的能量值相应的关于定态波函数的解为： )()(2x H Ae x n x αψα-= （3.1.3） 其中0>=hkm α，)(ξn H 是E 的一个n 次多项式，称为厄米多项式[4]。
其前四项为： 1)(0=ξHξξ2)(1=H24)(22-=ξξHξξξ128)(33-=H 由于)(x H n α是x 的n 次多项式，且0>α。
因此，当∞→x 时，（3.1.3）式趋于零。
由（3.1.2）式知，在量子力学中谐振子的能量是分立的，与振幅无关，只依赖于振子的固有特性---振子的本征频率ω。
（3.1.2）式还表明[5]，频率为ω的振子其能量的改变只能是能量单元ω 的整数倍。
这一点同普朗克的能量子假设是一致的。
但量子力学中振子的最低能级（基态能量）不再是零而是ω 21，称为零点能[5]。
它充分体现了粒子具有波粒二象性。
3.2 坐标表象中的一维谐振子粒子系统的状态用以空间坐标为自变量，以时间为参量的波函数),(t r 来描述，这种表示形式称为坐标表象[6]。
下面从谐振子的哈密顿算符出发，求解谐振子的能量本征值和定态波函数，并对谐振子在量子力学与经典力学中的几率密度进行比较，给出量子谐振子向经典谐振子过渡的条件。
一维谐振子的哈密顿算符为：22222212x m dx d m H ω+-= 坐标表象中，振子的定态薛定谔方程为：)()()212(22222x E x x m dx d m ψψω=+- 引入没有量纲的变量ξ代替x ，它们的关系是x x m αωξ≡≡ ωαm = ωλ E 2=（3.2.1） 以ω2乘以式（3.1.1），利用式（3.1.2）和式（3.1.3），薛定谔方程可改写为 0)(222=-+ψξλψξd d （3.2.2） 这是一个变系数的二阶常微分方程。
当ξ很大时，λ与2ξ相比可以略去，因而在±∞→ξ时，（3.2.2）式可以写为：ψξξψ222=d d 它的解是ψ～22ξ±e 。
因为波函数的标准条件要求当±∞→ξ时，ψ应为有限，所以对波函数只取指数上的负号：ψ～22ξ-e 。
根据上面的讨论，我们把ψ写成如下形式来求（3.2.2）式的解：)()(22ξξψξH e -= （3.2.3）（3.2.3）式代入（3.2.2）式可得)(ψH 满足方程：0)1(222=-+-H d dH d H d λξξξ（3.2.3） 用级数解法，把H 展开成ξ的幂级数，来求着方程的解。
这个级数必须只含有限项，才能在±∞→ξ时使)(ξψ为有限；而级数只含有限项的条件是λ为奇数：12+=n λ， 2,1,0=n代入（3.2.1）式即可得谐振子的能级为：)21(+=n E n ω ， 2,1,0=n （3.2.4） 可见,谐振子的能量只能取分立值，两相邻能级间隔均为ω ，即：ω =-+n n E E 1在坐标表象中可以明显看出：是描述粒子波动性的波函数)(x ψ受到势能场的约束使能谱分立。
与（3.2.4）式定态能量对应的定态波函数：)()(222x H eN x n x n n αψα-= 式中2121)!2(n N n n πα=是归一化常数，它由归一化条件1)()(*=⎰∞∞-dx x x n n ψψ确定。
图3.2中画出了3,2,1,0=n 的几率密度2n ψ（图中实线），图中虚线是经典谐振子的平均位置密度。
从图3.2可见，经典谐振子不能进入A x >的区域。
而量子谐振子能进入这种区域，但进入以后指数衰减。
可见，量子振子和经典振子完全不同，但当n 增大时，nE E ∆减小，量子振子向经典振子过渡。
图3.2 一维谐振子的位置几率密度分布 3.3 粒子数表象中的谐振子以粒子数算符的本征矢|n 〉为基矢的表象称为占有数表象[7]，又叫粒子数表象。
我们可以通过引入升降算符求解谐振子，求出谐振子的能量本征值以及坐标算符xˆ和动量算符p ˆ的矩阵元。
一维谐振子的经典哈密顿函数为：22212kx p H +=μ （3.3.1） 在量子力学里，谐振子的哈密顿算符具有同一形式：222ˆ21ˆ21x p H μωμ+-= （3.3.2） 将经典泊松括号换成量子泊松括号：[]1ˆ,ˆ-=PB p x → []1ˆ,ˆ-=p x i由xˆ与p ˆ的对易关系： [] i x p p x p x =-=ˆˆˆˆˆ,ˆ （3.3.3）定义两个非厄米算符aˆ和+a ˆ： )ˆ1ˆ(2ˆx pi x a μωμω+=)ˆ1ˆ(2ˆx pi x a μωμω-=+ （3.3.4） 这两个非厄米算符满足如下基本对易关系：][1ˆ,ˆ=+a a （3.3.5） 则（3.3.4）式的逆变换关系为： )ˆˆ(2ˆa a x +=+μω（3.3.6） )ˆˆ(2ˆa ap -=+μω 利用（3.3.6）式，代入（3.3.2）式，并考虑对易关系（3.3.5），哈密顿算符又可表示为：)21ˆˆ(ˆ+=+a a H ω （3.3.7） 由于Hˆ与算符a a ˆˆ+仅仅相差一个常数矩阵，所以只需求解a a ˆˆ+得本征值问题。