量子力学期末考试试卷及答案

量子力学期末试题及答案

红色为我认为可能考的题目

一、填空题：

1、波函数的标准条件：单值、连续性、有限性。

2、|Ψ（r,t）|^2的物理意义：t时刻粒子出现在r处的概率密度。

3、一个量的本征值对应多个本征态，这样的态称为简并。

4、两个力学量对应的算符对易，它们具有共同的确定值。

二、简答题：

1、简述力学量对应的算符必须是线性厄米的。

答：力学量的观测值应为实数，力学量在任何状态下的观测值就是在该状态下的平均值，量子力学中，可观测的力学量所对应的算符必须为厄米算符；量子力学中还必须满足态叠加原理，而要满足态叠加原理，算符必须是线性算符。综上所述，在量子力学中，能和可观测的力学量相对应的算符必然是线性厄米算符。

2、一个量子态分为本征态和非本征态，这种说法确切吗？

答：不确切。针对某个特定的力学量，对应算符为A，它的本征态对另一个力学量（对应算符为B）就不是它的本征态，它们有各自的本征值，只有两个算符彼此对易，它们才有共同的本征态。

3、辐射谱线的位置和谱线的强度各决定于什么因素？

答：某一单色光辐射的话可能吸收，也可能受激跃迁。谱线的位置决定于跃迁的频率和跃迁的速度；谱线强度取决于始末态的能量差。

三、证明题。

2、证明概率流密度J不显含时间。

四、计算题。

1、

第二题： 如果类氢原子的核不是点电荷，而是半径为0r 、电荷均匀分布的小球，

计算这种效应对类氢原子基态能量的一级修正。

解：这种分布只对0r r <的区域有影响，对0r r ≥的区域无影响。据题意知

)()(ˆ0

r U r U H -=' 其中)(0r U 是不考虑这种效应的势能分布，即 2004ze U r r

πε=-（）

)(r U 为考虑这种效应后的势能分布，在0r r ≥区域， r

Ze r U 024)(πε-=

在0r r <区域，)(r U 可由下式得出， ⎰∞

-=r Edr e r U )(

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨⎧≥≤=⋅⋅=)( 4 )( ,4344102

003003303

420r r r Ze r r r r Ze r r Ze r E πεπεπππε

⎰⎰∞

--=0

)(r r r

Edr e Edr e r U

⎰⎰

∞

-

-

=00

20

2

3

002

144r r r

dr r Ze rdr r Ze πεπε

)3(84)(82

203

020*********r r r Ze r Ze r r r Ze --=---=πεπεπε )( 0r r ≤ ⎪⎩

⎪⎨⎧≥≤+--=-=')( 0 )( 4)3(8)()(ˆ00022

2030020r r r r r

Ze r r r Ze r U r U H πεπε

由于0r 很小，所以)(2ˆˆ0

22

)0(r U H H +∇-=<<'μ

，可视为一种微扰，由它引起 一级修正为（基态03(0)

1/2100

30

()Z

r

a Z e

a ψπ-=） ⎰∞

'=τψψd H E )0(1

*

)0(1)1(1ˆ ⎰

-+--=0

00

22022

203

023

3

4]4)3(8[r r a Z

dr r e r Ze r r r Ze a Z ππεπεπ ∵0a r <<，故10

2≈-

r a Z e 。

∴ ⎰

⎰

+--=0

3

02

40

4

2

20

3

3002

4)

1(1

)3(2r r rdr a e Z dr r r r r a e Z E

πεπε

20

30024505

030300242)5(2r a e Z r r r a e Z πεπε+--= 2

3002410r a e Z πε= 2

03

2452r a e Z s = 第三题

其相应的久期方程：

6.2 求自旋角动量在任意方向n )cos ,cos ,(cos γβα的投影 ˆn

S 的本征值和本征函数。

解：在z S ˆ 表象，n S ˆ的矩阵元为 γβαcos 10012cos 002cos 01102ˆ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= i i S n ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛

-+-=γβαβαγcos cos cos cos cos cos 2i i S n )cos (cos cos --βαλγ i

即：

由归一化条件得：

)cos (cos 4cos 4222222=+--βαγλ 0422=- λ)1cos cos cos (2

22=++γβα利用2 ±

=λ所以n

S ˆ的本征值为2 ±。 设对应于2

=n S 的本征函数的矩阵表示为⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=b a S n )(21χ，则 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-b a b a i i 2cos cos cos cos cos cos 2 γβαβαγb i a -+⇒βαc )cos (cos γ

β

αcos 1cos cos ++=i b 22**),(12

1

21b a b a b a +=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==+χχ1cos 1cos cos 22

2=+++a i a γβα1

cos 122

=+a γ取 2cos 1γ+=a

，得 )

cos 1(2cos cos γβ

α++=i b 12

()

n S χ⎛⎫ ⎪ ⎪=21

10)(21-=⎪⎪⎭

⎫

=χS n 同理可求得 对应于2 -=n S 的本征函数为

⎪⎪

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-+--=-)cos 1(2cos cos 2cos 1)(21γβαγχi S n