苏汝铿高等量子力学讲义(英文版)Chapter2 Many Body Problem
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量子力学(第二版)答案 苏汝铿 第二章课后答案2.19-2#10第三版
2
m
*
d d * dr dr dr dr 1 d * dr 2 dr 1 * |r r 0 2 2 1 0 2
*
带入得
2 dV r L2 d d * dr 3 dr mr m dr 2 2 2 0 m 令 1
0
2m dV r Fra bibliotek 1 L2 2 dr 2 r 3
0
2
m dV r 1 L2 2 dr 2 r 3
1 为单位）
2 式中 0 是原点的波函数， L 是角动量平方（选
证明：
H
p2 L2 V r 2m 2mr 2 2 d2 2 d L2 ˆ H V r 2 2m dr r dr 2mr 2
得
u
2 l 1 2 u 1 u 0 2
1
方程的解是
Rkl r Ajl kr Bnl kr
当粒子处在基态时，带入边界条件得
0 Aj0 ka Bn0 ka 0 Aj0 kb Bn0 kb
2
C2 sin 2 k r a dr k2 C2 b a 2 k 2
2 ba
Ck
所以基态波函数
k 00 k
1 4
2 ba
2 ba
sin k r a 1 kr 4 r a 1 sin r ba
2.21 证明在非相对论量子力学中，在辏力场 V r 中运动的粒子，其束缚态满足
2.19 设势场为 U r Br A r , A, B 0 ，求粒子的能量本征值。
m
*
d d * dr dr dr dr 1 d * dr 2 dr 1 * |r r 0 2 2 1 0 2
*
带入得
2 dV r L2 d d * dr 3 dr mr m dr 2 2 2 0 m 令 1
0
2m dV r Fra bibliotek 1 L2 2 dr 2 r 3
0
2
m dV r 1 L2 2 dr 2 r 3
1 为单位）
2 式中 0 是原点的波函数， L 是角动量平方（选
证明：
H
p2 L2 V r 2m 2mr 2 2 d2 2 d L2 ˆ H V r 2 2m dr r dr 2mr 2
得
u
2 l 1 2 u 1 u 0 2
1
方程的解是
Rkl r Ajl kr Bnl kr
当粒子处在基态时，带入边界条件得
0 Aj0 ka Bn0 ka 0 Aj0 kb Bn0 kb
2
C2 sin 2 k r a dr k2 C2 b a 2 k 2
2 ba
Ck
所以基态波函数
k 00 k
1 4
2 ba
2 ba
sin k r a 1 kr 4 r a 1 sin r ba
2.21 证明在非相对论量子力学中，在辏力场 V r 中运动的粒子，其束缚态满足
2.19 设势场为 U r Br A r , A, B 0 ，求粒子的能量本征值。
量子力学(第二版)答案 苏汝铿 第二章课后答案2.31-2#3
则有
x 0
2 x
x 0
eik0 y sin Reik0 y sin Te
ik y y
ik0 cos eik0 y sin Rik0 cos eik0 y sin Tik xe
ik y y
由于势能与 y 无关,则有 k y k0 sin ,上式变为
2 Ze / x, x 0 V x 的结果相比较. , x 0
解:根据维理定律
x 1 1 E V x Ze2 dx 2 2 x 2
如果当 x 0 时, x 不趋于零,上述积分会发散, E 会趋近于负无穷大 .这是不可能的 ,所以 我们得到 0 0 .这样我们就可以用 Laplace 变换来解决这个问题. 势能为 V x 一维薛定谔方程为
2
2
k02 sin 2
ii 在 x 0 区域中,波函数的形式和 i 中一样
在 0 x t 区域中, E V 0 ,薛定谔方程变为
2
/ 2m 2 0
在 y 方向上势能是不变的,我们有 exp ik x exp kx ,其中 k k0 sin ,
C
4ik
eikc e c 1 ik / e c 1 ik /
2 2
因为在 I 中已经取入射波的形式为 eikx ,所以透射系数 T CC * ,则有
T
k
2
2 2
4k 2 2 sinh 2 c 4k 2 2
2
当 c
1 ,即 V0 E
2
s
2
1 1 s 1 s ds
x 0
2 x
x 0
eik0 y sin Reik0 y sin Te
ik y y
ik0 cos eik0 y sin Rik0 cos eik0 y sin Tik xe
ik y y
由于势能与 y 无关,则有 k y k0 sin ,上式变为
2 Ze / x, x 0 V x 的结果相比较. , x 0
解:根据维理定律
x 1 1 E V x Ze2 dx 2 2 x 2
如果当 x 0 时, x 不趋于零,上述积分会发散, E 会趋近于负无穷大 .这是不可能的 ,所以 我们得到 0 0 .这样我们就可以用 Laplace 变换来解决这个问题. 势能为 V x 一维薛定谔方程为
2
2
k02 sin 2
ii 在 x 0 区域中,波函数的形式和 i 中一样
在 0 x t 区域中, E V 0 ,薛定谔方程变为
2
/ 2m 2 0
在 y 方向上势能是不变的,我们有 exp ik x exp kx ,其中 k k0 sin ,
C
4ik
eikc e c 1 ik / e c 1 ik /
2 2
因为在 I 中已经取入射波的形式为 eikx ,所以透射系数 T CC * ,则有
T
k
2
2 2
4k 2 2 sinh 2 c 4k 2 2
2
当 c
1 ,即 V0 E
2
s
2
1 1 s 1 s ds
复旦量子力学讲义qmapter2-
Chapter 2 Many Body Problem
2020/5/29
2020/5/29
§2.1 Second quantization
➢The identical particles cannot be distinguished
2020/5/29
§2.1 Second quantization
2020/5/29
§2.1 Second quantization
➢Bose system
2020/5/29
§2.1 Second quantization
n 1,...,nk,...(r r1,...r rN) N n !i!PPk1(r r1)...
r kN(rN)
2020/5/29
§2.1 Second quantization
Screening Coulomb potential
Positive charge background cancels k=0 part
2020/5/29
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
2020/5/29
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
2020/5/29
§2.1 Second quantization
➢We need to introduce the creation and the annihilation operators to deal with various problem in the many-body system
ni!
A(k1,k2,...,kn,t)
n
N!
C(n1,n2,...,nk,...,t)
2020/5/29
2020/5/29
§2.1 Second quantization
➢The identical particles cannot be distinguished
2020/5/29
§2.1 Second quantization
2020/5/29
§2.1 Second quantization
➢Bose system
2020/5/29
§2.1 Second quantization
n 1,...,nk,...(r r1,...r rN) N n !i!PPk1(r r1)...
r kN(rN)
2020/5/29
§2.1 Second quantization
Screening Coulomb potential
Positive charge background cancels k=0 part
2020/5/29
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
2020/5/29
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
2020/5/29
§2.1 Second quantization
➢We need to introduce the creation and the annihilation operators to deal with various problem in the many-body system
ni!
A(k1,k2,...,kn,t)
n
N!
C(n1,n2,...,nk,...,t)
量子力学(第二版)答案 苏汝铿 第二章课后答案2.16-2#14
2r 1 a 2 e x dxdydz 3 a 2r 1 3 e a r 2 dxdydz 3a 2r 4 4 而 3 e a r dr 3a 4 a 3 g( )5 4! 3a 2 a2
x
h2 2 h2 h 2 2 x p a 所以 3a 2 3 2
这为适合流超比方程，要使Ｒ（p）在 趋于０则有解
( ) F (S 1
s 1
本征值为
a ), 2s 2, ) 2 Eh
a n 2 Eh
n＝０、１、２…..
且 所以
Enl
2
a2
2h 2 (n s 1)2
2
而 s ( (2l 1) 8 A / h 1) / 2 第 14 组 彭毅 姜麟舜 200431020117 200431020119
2h 2 2ah a3 ( p 2 h / a 2 )2
于是
px | ( p) | px dpx d p y dpz
0
由于被积函数对 px 是奇函数
2 2 px | ( p ) |2 p x dpx d p y dpz
1 | ( p) |2 p 2 dpx d p y dpz 3 8h 5 2 p4 2 5 dp sin d d 3 a 0 0 0 ( p h ) 4 a2 h2 2 3a
a A (a, A 0) ，求粒子的能量本征值。 r r2
14QM-2.1８
设势场为 U (r )
解：由于 E>0 是连续谱，所以仅讨论 E<0 在极坐标中，薛定谔方程的径向方程为
2 2 E l (l 1) R '' (r ) R ' (r ) [ 2 r h r2 2 a 2 A ] R(r ) 0 h 2 r h 2 r2
量子力学(第二版)答案 苏汝铿 第二章课后答案2.13-2#08
选择 i ，在渐进区域 x 我们有 (1 y)
代表从左边入射的平面波，而第二项代表在金属表面反射的平面波，因此
AI eikx AR eikx
（ x ）
于是反射系数是
R
AR (2 )( )( 1) ……（13） AI (2 )( )( 1)
2 2 如果 V0 E 0 ， 则有 ， 于是 是实数。 当 x 时 y
F 1 e x / a 0 ，
而 们有
y
e x / a 。于是，如果选择 0 ，则解（9）当 x 时为零。如果 E 0 ，我
2 2 ， 因 而 是 纯 虚 数 ， 比 如 说 i 。 于 是 当 x 是 ，
n 2 2 2 8ma 2
F
En a
2
n 2 2 8m
2 a3
2 En a 2 ∴ F E a
dr
0
r 2 e
r i r a
dr
令
r i r x a 1 4 原式 3 ( 2 ) a3
0
x2 ex
1 (a
i
dx )
3
1 8 a3 3 3 ( 2 )3 a3 ( i a)
批注 [JL1]: 即去掉一个 overal 相位 因子, 但好像仍有差别。
2r r2 e y dy 3 0 a 2 4 a0 4 y 3 ( ) 6e 0 a 2 3 （ a a0 ） a 2
2
2） e / r r sin (
2 2 V
量子力学(第二版)答案 苏汝铿 第二章课后答案2.13-2#13
2.13 求势场 U ( x)
U 0 e 1
x a
，入射粒子能量 E 0 时的反射系数。
解：该势场的薛定谔方程为：
U d 2 2m 2 ( E x 0 ) 0 2 dx ea 1
令 y (1 e a ) 1 ，则有 y ( y 1)
x
d 2 d 2 2 (1 2 y) ( ) 0 2 dx dy y (1 y ) y
1
1 2m 2 2m( E V0 ) 2 其中 K 2 E ， k 2 a
1 r / a0
1
2.14 设氢原子处在 （i） r 的平均值；
a
3
e
， a0 为第一波尔半径，求：
（ii）势能 e / r 的平均值；
2
（iii）能量概率的分布函数。 解： （1）首先判断题中所给波函数的归一化情况：
十三组成员 ：李俊华 200431020040
扈俊 200431020122
余功硕 200431020039
4
1
令 i ，当 x ，我们有
(1 y)
e
i x / a
eikx ，这时 1 式中 的第一项代表
代表延 x 轴正向传播的平面波，第二代表反射的平面波 因此
AI eikx AReikx , x ，因此
2
A R R AI
(v 1)(v )(2 ) ，当 E 0 时， 和 v 均为纯虚数，即 (v ) 2 (v 1)
（2）
e 2 4 e2 4e2 1 e2 2 r / a0 2 re dr r a3 a 211 a0 0
U 0 e 1
x a
，入射粒子能量 E 0 时的反射系数。
解：该势场的薛定谔方程为：
U d 2 2m 2 ( E x 0 ) 0 2 dx ea 1
令 y (1 e a ) 1 ，则有 y ( y 1)
x
d 2 d 2 2 (1 2 y) ( ) 0 2 dx dy y (1 y ) y
1
1 2m 2 2m( E V0 ) 2 其中 K 2 E ， k 2 a
1 r / a0
1
2.14 设氢原子处在 （i） r 的平均值；
a
3
e
， a0 为第一波尔半径，求：
（ii）势能 e / r 的平均值；
2
（iii）能量概率的分布函数。 解： （1）首先判断题中所给波函数的归一化情况：
十三组成员 ：李俊华 200431020040
扈俊 200431020122
余功硕 200431020039
4
1
令 i ，当 x ，我们有
(1 y)
e
i x / a
eikx ，这时 1 式中 的第一项代表
代表延 x 轴正向传播的平面波，第二代表反射的平面波 因此
AI eikx AReikx , x ，因此
2
A R R AI
(v 1)(v )(2 ) ，当 E 0 时， 和 v 均为纯虚数，即 (v ) 2 (v 1)
（2）
e 2 4 e2 4e2 1 e2 2 r / a0 2 re dr r a3 a 211 a0 0
量子力学(第二版)答案 苏汝铿 第二章课后答案2.22-2#11
me 2z 2 4
2 3/ 2
1 a
'3/ 2
e z / a
'
me2 z ' 4 2 exp ,a 2 me2 4
me4 32 2 1 me4 2 2 p p x y 32 2n2 2m
基态能量 E1,0,0
所以电子的能量 E
基态能量。 解：(1)令 X
1 1 x y ,Y x y 2 2
Y , E3 Z
则 E1
X , E2
1 2A E 1 n1 1 , 1 1 2 m 1 2A E2 n2 2 , 2 1 2 m 1 2B E3 n3 3 B 2 , 3 2 m
2.22 一个质量为 m 的粒子在一个三维方势阱 V（r）中运动。 （i）证明：对于一个半径 R 一定的阱，只有阱深至少有一个极小值时，才可能有束缚态， 并计算这一极小值。 （ii）在一维情况下，类似问题的结果和三维的有何不同？ （iii）上述结果中的一半性质对任意形状的势阱是否仍然成立？例如在一维情况下，若
但是
0
0
p2 p2 V x 0 0 Vs x 0 2m 2m
所以
p2 V x 0 0 2m
即题中所给的 V x 形式的势阱均有束缚态。
2.23 一电子在一无限大接地的平面导体上方运动， 它被自己的象电荷吸收， 但电子不能穿透 导体表面， 试写出电子作三维运动的哈密顿量和它满足的边界条件， 并求出电子的能级和在 基态时，电子和导体表面之间的平均距离。 解： （1）设导体表面法向沿 Z 轴方向，系统电能 V
f ( x) 0 a <x b U ( x) x a或x b 0
2 3/ 2
1 a
'3/ 2
e z / a
'
me2 z ' 4 2 exp ,a 2 me2 4
me4 32 2 1 me4 2 2 p p x y 32 2n2 2m
基态能量 E1,0,0
所以电子的能量 E
基态能量。 解：(1)令 X
1 1 x y ,Y x y 2 2
Y , E3 Z
则 E1
X , E2
1 2A E 1 n1 1 , 1 1 2 m 1 2A E2 n2 2 , 2 1 2 m 1 2B E3 n3 3 B 2 , 3 2 m
2.22 一个质量为 m 的粒子在一个三维方势阱 V（r）中运动。 （i）证明：对于一个半径 R 一定的阱，只有阱深至少有一个极小值时，才可能有束缚态， 并计算这一极小值。 （ii）在一维情况下，类似问题的结果和三维的有何不同？ （iii）上述结果中的一半性质对任意形状的势阱是否仍然成立？例如在一维情况下，若
但是
0
0
p2 p2 V x 0 0 Vs x 0 2m 2m
所以
p2 V x 0 0 2m
即题中所给的 V x 形式的势阱均有束缚态。
2.23 一电子在一无限大接地的平面导体上方运动， 它被自己的象电荷吸收， 但电子不能穿透 导体表面， 试写出电子作三维运动的哈密顿量和它满足的边界条件， 并求出电子的能级和在 基态时，电子和导体表面之间的平均距离。 解： （1）设导体表面法向沿 Z 轴方向，系统电能 V
f ( x) 0 a <x b U ( x) x a或x b 0
量子力学(第二版)答案 苏汝铿 第二章课后答案2.10-2#07
x Nne
1 2 x2 2
H n x
Ek
势能平均值
2 p2 2 , 2m 2m x 2
Ep
1 m 2 x 2 2
1 E p n* x m 2 x 2 n x dx 2 m 2 2 2 y2 2 3 N n y e H n y dy 2
a
1 n* x n x
0
An 2 sin 2
0
a
n xdx a
a 2 An 2
a 0 a
1 * x x A2 x 2 a x dx
2 0
a5 2 A 30
得：
A
30 , a5
An
2 a
由态叠加定理有：
2
2m
2
Nn2 e
1 2 x2 2
H n x
2 x2 2 1 2 e H n x dx 2 x
2m
2
N n 2 e
1 y2 2
H n y y 2 1 H n 4nyH n 1 4n n 1 H n 2 e
可想而知，对两个方势垒，则需解八元一次代数方程组，这是不好做的。
我们认为近似处理可以得到： D D1D2 e
2 [ 2 m (U1 E )a 2 m (U 2 E ) c b ]
12.证明对于一维谐振子，无论处在哪个本征态，它的动能平均值恒等于势能平均值。 证明： 一维谐振子的波函数是
6
其中，查表可得：
480 2 ma 2 4 5 2 ma 2
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§2.3 Superconductive theory
§2.3 Superconductive theory
§2.3 Superconductive theory
§2.3 Superconductive theory
§2.3 Superconductive theory
Energy gap equation
§2.4 Landau phase transition theory
Van Laue criticism Can 2nd order phase transition exist?
§2.4 Landau phase transition theory
§2.4 Landau phase transition theory
§2.3 Superconductive theory
§2.3 Superconductive theory
ξ = k − k0
§2.3 Superconductive theory
§2.3 Superconductive theory
( E0 < E0 N )
Stable state
§2.4 Landau phase transition theory
§2.4 Landau phase transition theory
A~0 real, stable
img,forbidden
§2.4 Landau phase transition theory
Landau theory Ehrenfest equation
§2.4 Landau phase tdity theory
§2.5 Superfluidity theory
§2.5 Superfluidity theory
§2.5 Superfluidity theory
§2.5 Superfluidity theory
§2.5 Superfluidity theory
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
§2.4 Landau phase transition theory
§2.4 Landau phase transition theory
Landau theory Introducing “order parameter η ”
µ = µ ( p , T ,η )
§2.4 Landau phase transition theory
Ehrenfest equation
§2.4 Landau phase transition theory
§2.4 Landau phase transition theory
§2.4 Landau phase transition theory
§2.4 Landau phase transition theory
Bose system
§2.1 Second quantization
Πni ! r r r r Φ n1 ,..., nk ,... (r1 ,...rN ) = ∑ Pϕk1 (r1 )...ϕkN (rN ) N! P
§2.1 Second quantization
A(k1 , k2 ,..., kn , t ) =
§2.3 Superconductive theory
§2.3 Superconductive theory
§2.3 Superconductive theory
§2.3 Superconductive theory
§2.3 Superconductive theory
Bogoliubov-Valatin canonical transformation
§2.1 Second quantization
We need to introduce the creation and the annihilation operators to deal with various problem in the many-body system
§2.1 Second quantization
§2.1 Second quantization
§2.1 Second quantization
§2.1 Second quantization
§2.1 Second quantization
Discussions The wave function is already symmetric nk is the particle number operator of k state
m≤k
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
Key: two-body problem “one-body problem” + “mean field” Example: Free electron gas in the metal
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
§2.3 Superconductive theory
Frohlisch Hamiltonian: e-p-e interaction + + Cooper pair: ak ↑ a− k ↓ 0 BCS Theory (Variational method) e-e attraction
Variational wave function
§2.4 Landau phase transition theory
§2.4 Landau phase transition theory
§2.4 Landau phase transition theory
§2.5 Superfluidity theory
Landau superfluidity theory New idea: elementary excitation
1 ikr ⋅rr e 2 r e 2 ∞ π 2π ikr cosθ 1 2 Uk = ∫ e dr = ∫ ∫ ∫ e r dr sin θ dθ dϕ 0 0 0 Ω r Ω r 4π e 2 ∞ = ∫0 sin krdr Ωk
Screening Coulomb potential
Positive charge background cancels k=0 part
Chapter 2 Many Body Problem
§2.1 Second quantization
The identical particles cannot be distinguished
§2.1 Second quantization
The essence of the identical principle is that the state of a system should be described in terms of the particle number in a certain quantum state and the many-body problem should be discussed in the particle number representation instead of the original coordinate representation
§2.5 Superfluidity theory
Experiments: Superfluidity 10^-5~10^-4 cm (η 0) κ ∞ Mendelson effect λ- point
§2.5 Superfluidity theory
§2.5 Superfluidity theory
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
Spin effect
§2.2 Hartree-Fork mean field approximation
§2.5 Superfluidity theory
§2.5 Superfluidity theory
§2.5 Superfluidity theory
§2.4 Landau phase transition theory
§2.4 Landau phase transition theory
§2.4 Landau phase transition theory
min, stable
max,instalble
phase transition point
§2.1 Second quantization
§2.1 Second quantization
For Fermions
§2.1 Second quantization
§2.1 Second quantization
§2.1 Second quantization
υk = ∏ (1 − 2nm )
§2.1 Second quantization
§2.1 Second quantization
§2.1 Second quantization
Second quantization
§2.1 Second quantization