郑州大学物理工程学院_量子力学试题(2008年)含答案

2008~2009郑州大学物理工程学院电子科学与技术专业

光电子方向量子力学试题（A 卷）

（说明：考试时间120分钟，共6页，满分100分）

计分人：

一、填空题：（每题 4 分，共 40 分）

1. 微观粒子具有 波粒 二象性。

2．德布罗意关系是粒子能量E 、动量P 与频率ν、波长λ之间的关系，其表达式为：

E = h ν, p = /h λ 。

3．根据波函数的统计解释，dx t x 2

),(ψ的物理意义为： 粒子在x —dx 范围内的几率 。

4．量子力学中力学量用 厄米 算符表示。

5．坐标的x 分量算符和动量的x 分量算符x p 的对易关系为：[],x p i = 。

6．量子力学关于测量的假设认为：当体系处于波函数ψ(x)所描写的状态时，测量某力学量

F 所得的数值，必定是算符F

ˆ的 本征值 。 7．定态波函数的形式为： t

E i n n e

x t x

-

=)(),(ϕψ。

8．一个力学量A 为守恒量的条件是：A 不显含时间，且与哈密顿算符对易 。 9．根据全同性原理，全同粒子体系的波函数具有一定的交换对称性，费米子体系的波函数是_ 反对称的_____________,玻色子体系的波函数是_ 对称的 _。 10．每个电子具有自旋角动量S ，它在空间任何方向上的投影只能取两个数值为： 2

± 。

二、证明题：（每题10分，共20分）

1、（10分）利用坐标和动量算符的对易关系，证明轨道角动量算符的对易关系：

证明：

2、（10分）由Schr ödinger 方程

证明几率守恒： 。

其中几率密度

几率流密度 。 2

|),(|),(),(),(t r t r t r t r ψ=ψψ=*ω2

2

(,)[()](,)

2i r t V r r t t μ

∂ψ=-∇+ψ∂ z

y x L i L L ˆ]ˆ,ˆ[ =0=∙∇+∂∂

J t ω][2ψ∇

ψ-ψ∇ψ=*

*μ

i J ]ˆˆ,ˆˆ[]ˆ,ˆ[z x y z y

x p x p z p z p y L L --=]ˆˆ,ˆ[]ˆˆ,ˆ[z x y z x z p x p z p z p x p z p

y ---=]ˆ,ˆ[]ˆ,ˆ[]ˆ,ˆ[]ˆ,ˆ[z y x y z z x z p x p z p z p z p x p y p z p

y +--=]ˆ,ˆ[]ˆ,ˆ[z y x z p x p z p z p

y +=y z z y z x x z p p x z p x p z p p z y p z p

y ˆ]ˆ,[]ˆ,ˆ[ˆ]ˆ,[]ˆ,ˆ[+++=y z x z p p x z p z p

y ˆ]ˆ,[]ˆ,ˆ[+=y z y z x z x z p p x z p p z x p z p y p p

yz ˆˆ],[ˆ]ˆ,[ˆ],ˆ[]ˆ,ˆ[+++=y x p i x p

i y ˆ)(ˆ)( +-=]ˆˆ[x y p y p

x i -= z

L i ˆ =

证明：考虑 Schr ödinger 方程及其共轭式：

在空间闭区域τ中将上式积分，则有：

三、计算题：（共40分）

1、（10分）设氢原子处于状态

),()(2

3),()(2

1),,(11211021ϕθϕθϕθψ--

=

Y r R Y r R r

求氢原子能量E 、角动量平方L 2

、角动量Z 分量L Z 的可能值及这些可能值出现的几率。

解：在此状态中，氢原子能量有确定值 2

2

2

2

2282

s s

e n

e E μμ-

=-

= )2(=n ，几率为1

2

2

[](1)

2i V t μ∂ψ=-

∇+ψ

∂

2

2

[](2)

2i V t μ

*

*

∂-ψ=-

∇+ψ∂

(1)(2)*

ψ⨯-ψ⨯将式得：

]

[2222

*

**

*

ψ∇ψ-ψ∇ψ-

=ψ

∂∂ψ

+ψ∂∂ψ

μ

t

i t

i ]

[22

ψ∇ψ-ψ∇ψ∙∇=ψψ∂∂*

**μ

）（t i τ

μ

ττ

τd d dt

d i ][22

ψ∇ψ-ψ∇ψ∙∇=

ψψ

*

**

⎰⎰

）（τ

μ

ττ

τ

d i d dt

d ][2ψ∇ψ-ψ∇ψ∙∇-

=ψψ*

**

⎰⎰ ）（τ

τωτ

τ

d J d t r dt d

∙∇-=⎰⎰),(0

=∙∇+∂∂J t

ω

角动量平方有确定值为

2222)1( =+=L )1(= ，几率为1 角动量Z 分量的可能值为 01=Z L -=2Z L 其相应的几率分别为

4

1，

4

3

2、（10分）求角动量z 分量 的本征值和本征函数。

解： 波函数单值条件，要求当φ 转过 2π角回到原位时波函数值相等，即：

求归一化系数

最后，得 L z 的本征函数

ˆz

d

L i d φ

=- π

πφφ

ψπ

π

2112||2

202

2

20

=

→===⎰

⎰

c c

d c

d 归一化系数。

是积分常数，亦可看成其中解得：

c ce

l d d i L z i l z

z φ

φψφψφψφ

φψ ==-=)()()()(ˆ)

2()(πφψφψ+=)

2(πφφ+=→z

i

z

i

l l ce

ce

1

2=π

z

i l e

,2,1,022±±==m m

l z ππ于是

,2,1,0±±==→

m m l z