量子力学笔记

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2 6.非相对论情形下,自由粒子 E = p
2
2

,由德布罗意关系可知: ω =
E ℏk 2 = 。 ℏ 2µ
此时的物质波包的群速度为: V g =
dx dω ℏk ω E V = =V , 相速度为: u = k = = = dk µ dt k p 2
,由于
dVg dk
=
ℏ ω c2 ≠ 0 ,所以物质波包必然要扩散。对于相对论粒子, u = = 。 µ k V
n
虑了离散谱和连续谱的混合谱) 。
* * 3 6.混合谱:ψ = ∫ C aψ a da + ∑ C nψ n , 由于 ∫ψ m ψ n d 3 x = δ mn , ∫ψ a ′ψ a d x = δ ( a ′ − a )
⋅⋅
P ( x, t )d 3 x = k ψ ( x, t ) d 3 x 。归一化条件: ∫ ψ ( x, t ) d 3 x = 1 。不同的ψ ( x, t ) 描写
了粒子不同的量子力学状态——量子态。 【注意:一般说来,在讨论少数具有有 限静止质量的非相对论性粒子的运动时, 使用这种利用ψ ( x, t ) 描写量子态的图像 比较适合;在研究大数全同粒子系统,或相对论性的粒子时,采用二次量子化这 种图像较为方便。 】 4.按照统计诠释,波函数ψ ( x, t ) 对于空间坐标来说,必须是处处连续的 . . . . . 、单值的 . . . 和有限的 . . .。 5.自由粒子所处空间可视为 V=0 的空间,在此空间内,粒子不受任何约束,故而 粒子在空间各处等概率,即自由空间有平移对称性,也就是说ψ ( x) = ψ ( x + a ) 。 这时,只有选用复数形式的平面波,才能满足对称性原理(皮埃尔·居里) 。
∧ ∧
C
2
,C 为 A 和 B 的对易。 (可取含实参量ξ的积
2
分: I (ξ ) = ∫ d 3 x ( A− a )ψξ + i ( B − b)ψ
≥ 0 来进行演算。 ) 【测量是对量子系综进行
的。 】 5.厄米算符的本征函数的性质: (1)正交归一性,证明如下: 设 Aψ n ( x ) = a nψ n ( x) , Aψ m ( x ) = a mψ m ( x ) ,这里的 n 和 m 仅表示 a n ≠ a m ,并不意 味着 a n 和 am 属于离散谱。因为 A = A ,其本征值 a n 和 a m 总都是实数。那么:
∇2 =
∂2 1 ∂ 1 ∂2 ∂2 ∂2 2 ∂ 1 ∂2 2 (三维柱坐标) ; (二维) 。 + + + ∇ = + + ∂r 2 r ∂r r 2 ∂θ 2 ∂z 2 ∂r 2 r ∂r r 2 ∂ϕ 2
三、量子力学的数学表述 1.量子力学中的算符代表对波函数 (量子态) 的一种运算。 根据态叠加原理可知,
高,阴极发射电子能力增强。 11. 对氢原子的初步分析:由于库仑力是有心力,这就保证了电子绕核运动的角 动量守恒。对于类氢原子,必须考虑它的折合质量。原子磁矩(近似可认为 是电子所形成的电流乘以其环绕面积,因为原子核磁矩 〈〈 电子磁矩)为:
i 1 − eυ 2 eℏ eℏ Mz = s = πa = − n ,记 M 0 = ≈ 0.93 × 10 − 20 (erg ⋅ G −1 ) ,这里 c c 2πa 2 µc 2 µc
力学量的算符必须是线性的。又由于力学量的本征值是实数,所以,力学量的算 符一定是厄米算符。因此,力学量的算符是线性厄米算符。
⎡∧ ∧⎤ ∧ ∧ ∧ ∧ 2.算符的性质:相等,相加,相乘,对易,反对易。 ⎢ A, B ⎥ = A B − B A 。线性, ⎣ ⎦
厄米,转置,共轭… 3.厄米算符的性质: (1)厄米算符的本征值必为实数; (2)厄米算符的属于不同 本征值的本征函数,彼此正交; (3)厄米算符的平方的平均值是非负的。 4.一般的不确定关系: ∆A∆B ≥
* ψ ( x) = 0, a ′ ≠ a , 本征值的本征函数是正交的, 故 ∫ψ a 但对于连续的本征值 a , ′ ( x)
∧ ∧
a
从 a 到 a + ∆a ( ∆a 是小量)对于实验测量是无法区别的,这导致本征值谱连续
* 时本征函数的规格化条件为: ψ a′ ψ a = ∫ψ a ψ a ( x)d 3 x = δ (a ′ − a) 。 ′ ( x) * * (2)完备性,基的完备性条件: ∑ψ n ( x )ψ n ( y ) + ∫ daψ a ( x)ψ a ( y ) = δ ( x − y ) (考
∧+
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∧+


1
本征值属于离散谱情形
当本征值 a n 属于离散谱,相应的本征函数是可归一化的,综合正交和归一性,
* 有 ∫ψ m ψ n d 3 x = δ mn ;
②本征值简并情形——正交化手续 (可使用施密特正交化方法,重新选取合适的 基矢,构建正交归一的函数系。 ) ③本征值属于连续谱情形(可以采用箱归一化定常数,然后规格化。 ) 对于力学量算符 A 的连续本征值谱, Aψ a ( x ) = aψ a ( x ) , a 连续变化。对应不同
平均动量 p = ψ ( x, t )
推广。 本章重点在于: (1)态叠加原理的记忆及相关应用; (2)应用薛定谔方程对一维势的计算,包 括波函数, 能级, 波函数的奇偶性, 力学量的平均值, 反射与透射系数的计算等; (3) ∇ 2 = 1 ∂ 2 ∂ 1 ∂ ∂ 1 ∂2 (三维球坐标) ; r + sin θ + ∂θ r 2 sin 2 θ ∂ϕ 2 r 2 ∂r ∂r r 2 sin θ ∂θ
7.态叠加原理:若ψ i ( x, t ) ,i=1,2,…,代表一定条件下允许的波函数(量子态) , 则它们的线性叠加ψ ( x, t ) = ∑ ciψ i ( x, t ) 也是同样条件下允许的波函数(量子态) ,
i
其中 ci 为任意的复常数。叠加原理成立,要求ψ ( x, t ) 满足的演化规律应是线性的 微分方程,它反映微观系统的统计特性与经典统计有重大差别(这是波粒二象性 引起的) 。 8.平均位置 x = ψ ( x, t ) x ψ ( x, t ) , (波函数在不同表象下都是归一的。 )
量子力学
一、量子力学的实验基础 1. 卢瑟福实验:a 粒子的质量远大于电子,两者的质心几乎就在 a 粒子上。虽 然二体系统有内部的相互作用,但它们的质心是自由运动的,故电子对 a 粒 子的作用不影响 a 粒子的运动。a 粒子散射时,原子的正电荷部分受到反冲 力,导致薄片晶格的振动。 2. 原子光谱是原子内部电子运动情态的反映。光谱项 T。氢原子光谱的频谱是 离散的,且不是连续谱亦非由基频和倍频构成的频谱,这个性质直接来源于 原子中电子运动具有能级的特性以及光具有粒子性。 3. 光电效应实验中无法用经典物理学解释的现象: (1)反向遏止电压和入射光 强无关; (2)反向遏止电压和入射光的频率呈线性关系; (3)电子逸出相对 于光的照射而言几乎无时间延迟。 4. 爱因斯坦方程: T = ℏω − φ ,表示金属电子吸收一份光能量而获得 T 的动能 逸出金属, φ 为脱出功,与材料有关。 5. 光子: (1)博特实验(W. Bothe experiment)表明每份光能量是集中的; (2) 贾诺希实验(L. Janossy experiment)表明每份光子落在何处是偶然事件, 也就是说电磁波是光子的概率幅波。 (量子力学有整体性,光子的运动受到 整个环境的影响。 ) 6. 爱因斯坦关系: p = ℏk , E = ℏω 。P 和 E 描写光子,k 和 ω 描写单色波。 【注 意:说光有波粒二象性是沿用经典物理的语言。光有波动性,是指光的运动 没有轨道;光具有粒子性,是指光与电子相互作用时像粒子那样,而不像经 典的波场那般。 】 7. 康普顿(A. H. Compton)效应应用了“静电子模型” (靶原子的外层电子) 。 � 2πℏ 康普顿波长: Λ = = 0.0242621 A 。计算过程中考虑了能量守恒(相对论 mc θ 力学)和动量守恒(矢量力学) , ∆λ = 2Λ sin 2 。 (1)对于原子内层的“束 2 缚电子” , 由于它们与原子核束缚的紧, 应作为一个整体看待, “静电子模型” 不成立。 光子撞不动整个原子, 只是自己改变方向。 因此实验中出现了 ∆λ = 0 的成分。 (2)对于可见光,能量和动量小,靶原子的外层电子应作束缚电子 看待, “静电子模型”不成立。 8. 德布罗意关系(物质表现波动性)是光的爱因斯坦关系的推广,表示有确定 E 和 p 的自由粒子联系一个有确定 k 和 ω 的单色平面波。 实验证明:戴维孙革末(Davisson-Germer)电子衍射实验。 9. 定态是指能量的本征态。Bohr 初等量子理论的要点: (1)定态概念; (2) 定 态之间的跃迁概念; (3)角动量量子化概念——表现为量子化条件。Bohr 理论的缺陷:理论应用于简单程度仅次于氢原子的氦原子时,结果与实验不 符。对于氢原子,该理论只能求出谱线频率,而不能求出谱线的强度。 10. 弗兰克-赫兹实验:峰值提高的原因是由于阴极发射电子的能力与灯丝温度 有关,灯丝温度越高,发射电子能力越强,提高灯丝电压,灯丝温度相应提
采用的是 CGS(厘米克秒)单位制。 本章重点在于: (1)对定理、定义的理解; (2)对实验的熟悉以及对实验相关细节的理解; (3) 计算时需确定题中是否需要用相对论力学,并会用泰勒展开进行近似计算; (4) 对于题给数据要考虑是否在计算前进行修正。 二、量子力学的基本概念 1.量子力学的三大基本特征:几率幅描述;量子化现象;不确定关系。 2.根据德布罗意关系,物质是具有波动性的,而波动是时空的过程,因此ψ 是 x 和 t 的函数。由于薛定谔( Schr o dinger )方程中出现虚数 i,所以ψ 是个复数。 3.德布罗意波德统计解释: 在 t 时刻, 粒子落在 x 点附近 d 3 x 体积元中的概率为:
* * * * 0 = ∫ψ m Aψ n d 3 x − ∫ψ m A ψ n d 3 x = ∫ψ m Aψ n d 3 x − ∫ψ n ( Aψ m ) * d 3 x = (a n − a m ) ∫ψ m ψ nd 3 x
* 如果 a n ≠ a m ,则ψ m 和ψ n 正交, ∫ψ m ψ n d 3 x = 0, m ≠ n 。 * 如果 a n = a m ,则 ∫ψ m ψ n d 3 x 不一定正交。下面,分别讨论三种情形: ∧ ∧
ℏ ∇ ψ ( x , t ) = Φ ( p , t ) p Φ ( p, t ) 。 i 9.薛定谔方程是一个作了“低能近似” (非相对论量子力学)和“外场近似”的 ∧ ∂ ℏ 近似方程。 iℏ ψ = H ψ 。概率流密度为: j = (ψ ∗ ∇ψ − ψ∇ψ ∗ ) ,定域的概 ∂t 2mi ∂P 率守恒: = −∇ ⋅ j 。 ∂t ℏ ℏ 10.不确定关系 (起着经典力学和量子力学分界线的作用) : ∆x∆p ≥ , ∆E∆t ≥ 。 2 2 11.一维定态: (1)V=0 的自由粒子(连续谱) ; (2)一维无穷深势阱(离散谱) ; (3)一维有限深势阱(分别考虑束缚态和自由态) :解的宇称; (4)一维方势垒 ——隧道效应(反射系数和透射系数) ; (5)一维δ势阱(考虑跃变点处波函数 性质) ; (6)一维简谐振子(厄米方程及其解,能级公式) 。 【注意:一维线性谐 1 振子的能级公式中出现 ℏω 的原因是不确定关系的存在。 】 2 12.对应原理:在大量子数极限下,量子论将渐近地趋于经典理论。 (Bohr 于量 子力学建立前提出) 13.量子态可以用波函数表示(波动力学) ,也可以用矩阵表示(矩阵力学) 。量 子力学中,态和力学量的各种表示方式称为表象。对于一个量子态,可以用多个 表象描述,只是基矢取得不同,得到的“坐标”不同而已。 14.大数的、相互独立的、处于相同宏观条件之下的系统的集合,是量子力学的 统计对象——叫做量子系综 量子多体问题的量子力学是单粒子量子力学的直接 . . . .。
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