量子力学教程第二讲
合集下载
量子力学_第二章_线性谐振子
其中 2
2E
此式是变系数 二阶常微分方程
（2）求解
d 2 [ 2 ] ( x ) 0 2 d
1. 渐近解
为求解方程，我们先看一下它的渐 近解，即当 ξ→±∞ 时波函数 ψ的行为。在此情况下，λ<< ξ2， 于是方程变为：
d 2 0 2 d
为此考察相邻 两项之比：
2
bk 2 k 2 2k 1 2 (k 1)(k 2) bk k
k
2 2 k
exp[ 2 ] 1
1 !
4
2!
k 2
k
( )!
k 2
k 2
( 1)!
考察幂级数exp[ξ 2}的 展开式的收敛性
§2.7 线性谐振子
（一）引言
l
（1）何谓谐振子 （2）为什么研究线性谐振子
l
l
l
（二）线性谐振子
（1）方程的建立 （2）求解 （3）应用标准条件 （4）厄密多项式
l
l
l
（一）引言
（1）何谓谐振子
d2x 2 kx dt
其解为 x = 简谐振动，
在经典力学中，当质量为 的粒 子，受弹性力F = - kx作用，由牛 顿第二定律可以写出运动方程为：
2
欲验证解的正确性， 可将其代回方程，
2 d d 2 / 2 e / 2 e d d
其解为：ψ∞ =exp[±ξ2/2]
ξ2 >> ± 1
d d 2 d [ 2 1] 2 [ ] 2 d d d
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)
量子力学教程-周世勋-第二章波函数
在上式中令 a=0，然后再将 x 改为 x − a 得：
δ [( x − a) 2 ] =
δ ( x − a)
x−a
（2.2-20）
（8） ln x 的微商
m iπ ⎧ ⎪ln x e = ln x m iπ x < 0 ln x = ⎨ x>0 ⎪ ⎩ln x
所以得：
d ln x 1 = ± iπδ ( x) dx x
ε → 0+
lim
1 1 = ± iπδ ( x) ，或 x m iε x 1 1 1 lim ( − ) 者说 iπ ε →0+ x m iε x
⎧0 x < 0 ⎪ ⎪1 x x=0 ∫ −∞ δ ( x ')dx ' = h( x) = ⎨ ⎪2 ⎪1 x > 0 ⎩
H(x)称为亥维赛（heaviside）单元函数。显然有：
（2.2-14）
dh( x) = δ ( x) dx
（6）根据（2.2-6）式可得：
（2.2-15）
f ( x) = ∫ ∞ −∞ f ( a )δ ( x − a ) da f (a) = ∫ ∞ −∞ f ( x )δ ( x − a ) dx
+ε = ∫a a −ε f ( a )δ [( x − a )( a − b)]dx + ∫
b +ε
b −ε
f (b)δ [(b − a)( x − b)]dx
=
∞ f ( x) f (a) f (b) + =∫ [δ ( x − a ) + δ ( x − b)]dx −∞ a − b a −b a −b
值得注意的是，不同体系的态的叠加是没有意义的。例如，在双狭缝衍射中，如果封闭其中的 一个狭缝，则可得到两个单狭缝体系，这两个单狭缝体系以及双狭缝体系都是不同的体系，所以双 狭缝衍射中的可能态不能视为两个单狭缝衍射可能态的叠加。
《量子力学II》教案
(r ) e ikr
2 3 d r G (r , r )V (r ) (r ) 2 i (r ) sc (r )
此方程就是 Lippman-Schwinger 方程。 十一、散射问题的 Born 一级近似 利用留数定理，可以求得
G(r r )
可选择 q 方向为 z 轴方向，采用球坐标系，从而得出
6
f ( )
而散射截面为
2 r V (r ) sin qr dr 2 q 0
( ) f ( )
2
4 2 4q 2
0
r V (r ) sin qr dr
比较 Born 近似法和分波法，一般说来,Born 近似较适用于高能粒子散射，而分波法较适用于低能粒 子散射，因为此时只需考虑 l 较小的那些分波。 十二、全同粒子的散射 （1）无自旋的不同粒子之间的碰撞微分截面
1. 散射的量子力学描述
中心势作用下的 波函数在 r 处的渐近行为是
eikz f ( )
散射截面（又称微分截面或角分布）与散射振幅的关系
eikr r
( )
总截面 t 2
1 dn 2 f ( ) ji d
0
f ( ) sin d 。
ikz
场中径向波函数的 l 分波的表达式
a Rl (kr) ~ 4 (2l 1)i l jl (kr) l hl (kr) 2
（入射波） （散射外行波） 或
Rl (kr) r 4 (2l 1)i l (1 al )ei (krl 2) e i (krl 2 2ikr
4 Im f (0) k
《量子力学教程》_课后答案
其解为
2 ( x) A sin kx B coskx
④
13
根据波函数的标准条件确定系数 A，B，由连续性条件，得
2 (0) 1 (0)
2 ( a ) 3 ( a)
⑤ ⑥ ⑥
⑤
B0 A sin ka 0
A0 s i n 0 ka ka n
《量子力学教程》 习题解答
1
《量子力学教程》
习题解答说明
• 为了满足量子力学教学和学生自学的需要，完 善精品课程建设，我们编写了周世勋先生编写 的《量子力学教程》的课后习题解答。本解答 共分七章，其中第六章为选学内容。 • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
2
目录
• • • • • • • 第一章 绪论 第二章 波函数和薛定谔方程 第三章 力学量的算符表示 第四章 态和力学量的表象 第五章 微扰理论 第六章 弹性散射 第七章 自旋和全同粒子
(1)
J1与r 同向。表示向外传播的球面波。
i * * J1 ( 1 1 1 1 ) 2m i 1 ikr 1 ikr 1 ikr 1 ikr [ e ( e ) e ( e )]r0 2m r r r r r r i 1 1 1 1 1 1 [ ( 2 ik ) ( 2 ik )]r0 2m r r r r r r k k 2 r0 3 r mr mr
0
2
n ， n 1,2, 。 eB
1 2 1 eBR 1 2 2 n e B n B B 电子的动能为 E v 2 2 2 eB
动能间隔为 E B B 9 10 J 热运动能量（因是平面运动，两个自由度）为 E kT ，所以当 T 4K 时， E 4.52 10 J ；当
2 ( x) A sin kx B coskx
④
13
根据波函数的标准条件确定系数 A，B，由连续性条件，得
2 (0) 1 (0)
2 ( a ) 3 ( a)
⑤ ⑥ ⑥
⑤
B0 A sin ka 0
A0 s i n 0 ka ka n
《量子力学教程》 习题解答
1
《量子力学教程》
习题解答说明
• 为了满足量子力学教学和学生自学的需要，完 善精品课程建设，我们编写了周世勋先生编写 的《量子力学教程》的课后习题解答。本解答 共分七章，其中第六章为选学内容。 • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
2
目录
• • • • • • • 第一章 绪论 第二章 波函数和薛定谔方程 第三章 力学量的算符表示 第四章 态和力学量的表象 第五章 微扰理论 第六章 弹性散射 第七章 自旋和全同粒子
(1)
J1与r 同向。表示向外传播的球面波。
i * * J1 ( 1 1 1 1 ) 2m i 1 ikr 1 ikr 1 ikr 1 ikr [ e ( e ) e ( e )]r0 2m r r r r r r i 1 1 1 1 1 1 [ ( 2 ik ) ( 2 ik )]r0 2m r r r r r r k k 2 r0 3 r mr mr
0
2
n ， n 1,2, 。 eB
1 2 1 eBR 1 2 2 n e B n B B 电子的动能为 E v 2 2 2 eB
动能间隔为 E B B 9 10 J 热运动能量（因是平面运动，两个自由度）为 E kT ，所以当 T 4K 时， E 4.52 10 J ；当
量子力学课件(完整版)
Light beam
metal
electric current
11
能量量子化的假设
造成以上难题的原因是经典物理学认为 能量永远是连续的。
如果能量是量子化的，即原子吸收或发 射电磁波，只能以“量子”的方式进行， 那末上述问题都能得到很好的解释。
12
能量量子化概念对难题的解释
原子寿命 ①原子中的电子只能处于一系列分立的能级之中。
18
当 kT hc（高频区）
E(, T)
2hc2 5
e hc
kT
Wein公式
当 kT hc（低频区）
E(, T)
2c 4
kT
Rayleigh–Jeans公式
19
能量量子化概念对难题的解释
对光电效应的解释
如果电子处于分立能级且入射光的能 量也是量子化的，那么只有当光子的能 量（E =hυ）大于电子的能级差，即E =hυ > En－Em时，光电子才会产生。如 果入射光的强度足够强，但频率υ足够 小，光电子是无法产生的。
2 , k 2 / ,
得到 d 2 0,所以，t x(t)
dk 2 m
物质波包的观点夸大了波动性的一面，抹杀 了粒子性的一面，与实际不符。
45
（2）第二种解释：认为粒子的衍射行为是大 量粒子相互作用或疏密分布而产生的行为。 然而，电子衍射实验表明，就衍射效果 而言， 弱电子密度＋长时间＝强电子密度＋短时间 由此表明，对实物粒子而言，波动性体 现在粒子在空间的位置是不确定的，它是以 一定的概率存在于空间的某个位置。
2
这面临着两个问题：
1、信号电磁波所覆盖的区域包括大量的 元件，每个元件的工作状态有随机性，但 器件的响应具有统计性；
曾谨言《量子力学教程》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-一维势场中的粒子(圣才出品)
Nne 2 Hn (
x)
xn
=
1
[
n2n−1 +
n
+ 2
1n+1
]
d dx
n
= [
n2n−1 −
n
+ 2
1n
+1
]
其中 =
。
2.2 课后习题详解
2.1 设粒子限制在矩形匣子中运动，即
求粒子的能量本征值和本征波函数，如 a=b=c，讨论能级的简并度。 解：在匣子内
,n
=
1，2，3,…
该本征能量表达式说明说明：并非任何 E 值所相应的波函数都满足本问题所要求的边
条件，一维无限深方势阱中粒子的能量是量子化的，即构成的能谱是离散的（disorete）．
（2）无限深方势阱本证波函数
归一化波函数表示为
2．有限深对称方势阱 设
a 为阱宽，V0 为势阱高度．以下讨论束缚态（0＜E＜V0）情况． 束缚态能量本征函数（不简并）必具有确定宇称，因此只能取 sinkx 或 coskx 形式． （1）偶宇称态．
E
=
En
=
(n +
1)h, n 2
=
0,1, 2,…
此即谐振子的能量本征值．可以看出，谐振子的能级是均匀分布的，相邻的两条能级
的间距为 ．
8 / 42
圣才电子书 十万种考研考证电子书、题库视频学习平台
2.一维谐振子本征波函数
一维谐振子波函数常用的关系式如下
n
=
− 1 2 x2
2．势阱中的束缚态 要求束缚能量本征态（不简并）具有确定字称．以下分别讨论． （1）偶宇称态 归一化的束缚能量本征态波函数可表示为（取 C 为实数）
x)
xn
=
1
[
n2n−1 +
n
+ 2
1n+1
]
d dx
n
= [
n2n−1 −
n
+ 2
1n
+1
]
其中 =
。
2.2 课后习题详解
2.1 设粒子限制在矩形匣子中运动，即
求粒子的能量本征值和本征波函数，如 a=b=c，讨论能级的简并度。 解：在匣子内
,n
=
1，2，3,…
该本征能量表达式说明说明：并非任何 E 值所相应的波函数都满足本问题所要求的边
条件，一维无限深方势阱中粒子的能量是量子化的，即构成的能谱是离散的（disorete）．
（2）无限深方势阱本证波函数
归一化波函数表示为
2．有限深对称方势阱 设
a 为阱宽，V0 为势阱高度．以下讨论束缚态（0＜E＜V0）情况． 束缚态能量本征函数（不简并）必具有确定宇称，因此只能取 sinkx 或 coskx 形式． （1）偶宇称态．
E
=
En
=
(n +
1)h, n 2
=
0,1, 2,…
此即谐振子的能量本征值．可以看出，谐振子的能级是均匀分布的，相邻的两条能级
的间距为 ．
8 / 42
圣才电子书 十万种考研考证电子书、题库视频学习平台
2.一维谐振子本征波函数
一维谐振子波函数常用的关系式如下
n
=
− 1 2 x2
2．势阱中的束缚态 要求束缚能量本征态（不简并）具有确定字称．以下分别讨论． （1）偶宇称态 归一化的束缚能量本征态波函数可表示为（取 C 为实数）
量子力学教程（二版）习题答案
第一章 绪论1.1．由黑体辐射公式导出维恩位移定律：C m b bTm3109.2 ,×´==-l 。
证明：由普朗克黑体辐射公式：由普朗克黑体辐射公式：n n p nr n nd ec hd kTh 11833-=， 及ln c=、l ln d c d 2-=得1185-=kThcehc l l l p r ，令kT hc x l =，再由0=l r l d d ，得l .所满足的超越方程为所满足的超越方程为15-=x x e xe用图解法求得97.4=x ，即得97.4=kT hc m l ，将数据代入求得C m 109.2 ,03×´==-b b T ml 1.2．在0K 附近，钠的价电子能量约为3eV ,求de Broglie 波长. 解：010A 7.09m 1009.72=´»==-mEh p h l # 1.3. 氦原子的动能为kT E 23=，求K T 1=时氦原子的de Broglie 波长。
波长。
解：010A 63.12m 1063.1232=´»===-mkT h mE h p h l其中kg 1066.1003.427-´´=m ，123K J 1038.1--×´=k # 1.4利用玻尔—索末菲量子化条件，求：利用玻尔—索末菲量子化条件，求： （1）一维谐振子的能量。
）一维谐振子的能量。
（2）在均匀磁场中作圆周运动的电子的轨道半径。
）在均匀磁场中作圆周运动的电子的轨道半径。
已知外磁场T 10=B ，玻尔磁子123T J 10923.0--×´=B m ，求动能的量子化间隔E D ，并与K 4=T 及K 100=T 的热运动能量相比较。
的热运动能量相比较。
解：（1）方法1：谐振子的能量222212q p E mw m +=可以化为()12222222=÷÷øöççèæ+mw m E q Ep的平面运动，轨道为椭圆，两半轴分别为22,2mw m Eb E a ==，相空间面积为，相空间面积为,2,1,0,2=====òn nh EE ab pdq nw pp 所以，能量 ,2,1,0,==n nh E n方法2：一维谐振子的运动方程为02=+¢¢q q w ，其解为，其解为()j w +=t A q sin速度为速度为 ()j w w +=¢t A q c o s ，动量为()j w mw m +=¢=t A q p cos ，则相积分为，则相积分为 ()()nh T A dt t A dt t A pdq T T ==++=+=òòò2)cos 1(2cos 220220222mw j w mw j w mw ， ,2,1,0=n nmw nh T nh A E ===222， ,2,1,0=n （2）设磁场垂直于电子运动方向，受洛仑兹力作用作匀速圆周运动。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Wave function and The
设粒子状态由波函数
(rv, t)
Schrödinger equation
描述，波的强度是
(rv,t) 2 *(rv,t)(rv,t)
则微观粒子在t 时刻出现在 rv 处体积元dτ内的
几率
dW (rv,t) C (rv,t) 2 d
观也客称这体为表运 几明动 率描的 幅写一 。粒种子统的计波规重是律点几性率，波波(函概数率波 )rr,,反t 有映时微
explanation ➢ 2.2 态叠加原理
The principle of superposition
1.理解微观粒子运动状态的描述 波函数及其统计解释。
2.通过对实验的分析,理解态叠加原理。
重点
重点难点
2
Wave function and The Schrödinger equation
3
Wave function and The Schrödinger equation
（3）波函数一般满足连续性、有限性、单值性。
16
§2.1 波函数的统计解释（续10）
Wave function and The
Schrödinger equation
3．波函数的归一化条件
令
(rv,t) C(rv,t)
t
时刻，在空间任意两点
r r1
和
rr2 处找到粒子的
相对几率是：
C C
r (rr1 (r2
• 三个问题？
(1) 是怎样描述粒子的状态呢？
描写粒子状态的 波函数，它通常 是一个复函数。
(2) 如何体现波粒二象性的？
(3) 计解释（续2）
2．波函数的统计解释
Wave function and The Schrödinger equation
电子小孔衍射实验
电子源
P
P
O
感
Q光
Q
屏
X
v
P
a
1 0
电子单缝衍射实验
I
7
§2.1 波函数的统计解释（续3）
▲ 两种错误的看法
（1） 波由粒子组成
Wave function and The Schrödinger equation
这种看法是与实验矛盾的，它不能解释长时间单 个电子衍射实验。
单个电子就具有波动性。
实验上观测到的电子，总是处于一个小区域内。
例如一个原子内的电子，其广延不会超过原子大小
≈1
0
A
。
电子究竟是什么东西呢？是粒子？还是波？
“ 电子既不是粒子也不是波 ”，“ 电子既是粒 子也是波，它是粒子和波动二重性矛盾的统一。”
这个波不再是经典概念的波，粒子也不是经典概念 中的粒子。
经典概念 中粒子意
某一点按Brvor处n提出出现的的波概函率数与的粒统子计的解波释函,数粒在子该在点空模间的中
平方成比例
15
§2.1 波函数的统计解释（续9）
Wave function and The
(rv, t )
dW
(rv, t )
C
Schrödinger
(rv,t) 2
equation
d
必须注意
称为几率密度(概率密度)
事实上，正是由于单个电子具有波动性，才能 理解氢原子（只含一个电子！）中电子运动的稳定 性以及能量量子化这样一些量子现象。
8
§2.1 波函数的统计解释（续4）
Wave function and The Schrödinger equation
波由粒子组成的看法仅注意到了粒子性的一面，而 抹杀了粒子的波动性的一面，具有片面性。
（2） 粒子由波组成
电子是波包。
什么是波包？波包是各种波数（长）平面波的迭加。 平面波描写自由粒子，如果粒子由波组成，那
么自由粒子将充满整个空间，这是没有意义的，与 实验事实相矛盾。
9
§2.1 波函数的统计解释（续5）
Wave function and The Schrödinger equation
,t) ,t)
2
r (rr1 (r2
, ,
t) t)
2
可见， rr,t 和 rr,t所描写状态的相对几率是
相同的，这里的 c 是常数。
可见， rr,t 和 rr,t 描述的是同一几率波，所
以波函数有一常数因子不定性。
17
§2.1 波函数的统计解释（续11）
Wave function and The
P
P
O
感
Q
光 屏
Q
出现的概率 出现的概率 小的地方 大的地方
13
§2.1 波函数的统计解释（续7）
Wave function and The Schrödinger equation
（2） 入射电子流强度大，很快显示衍射图样.
波动观点
粒子观点
明纹处: 电子波强(x,y,z,t)2大 电子出现的概率大
经典概 念中波 意味着
1.实在的物理量的空间分布作周期性的 变化;
2．干涉、衍射现象，即相干叠加性。
▲ 玻恩的解释： 我们再看一下电子的衍射实验
P
P
电子源
衍射实验事实：
O
感
Q光
Q
屏
（1）入射电子流强度小，开始显示电子的微粒 性，长时间亦显示衍射图样;
12
电子单缝衍射实验
电子源
Wave function and The Schrödinger equation
假如粒子只在一维空间运动，它的状态可以用
波函数
0
x, t
i t
Ae
sin
a
x
x 0, x a 0 x a
5 7
来描写，式中E和a分别为确定的常数，而A是任意 常数，求：
1）归一化波函数，
2）几率分布函数（即几率密度）ω，
3） x ， x2 的值。
26
解：1）在一维空间里
2
Wave function and The
暗纹处: 电子波强(x,y,z,t)2小 电子出现的概率小
可见，波函数模的平方 处附近出现的概率成正比。
rr难,t 点2与粒子
t时刻在
rr
1926年,玻恩(M.Born)首先提出了波函数的统计解释：
波函数在空间中某一点的强度（波函数模的平方） 与粒子在该点出现的概率成比例。
14
§2.1 波函数的统计解释（续8）
Schrödinger equation
非相对论量子力学仅研究低能粒子，实物粒子
不会产生与湮灭。这样，对一个粒子而言，它在全
空间出现的几率等于一，所以粒子在空间各点出现
的几率只取决于波函数在空间各点强度的相对比例，
而不取决于强度的绝对大小，因而，将波函数乘上
一个常数后，所描写的粒子状态不变，即
rr,t 和 C rr,t 描述同一状态
5 5
平均值常用符号 表示。事实上，粒子的任何一个
只要是坐标函数的力学量 f x, y, z ，其平均值都可
以由 r, t 求出，即
f x, y, z *x, y, z,tf x, y, z x, y, z,tdxdydz 5 6 25
五、例题
Wave function and The Schrödinger equation
x, t dx 1Schrödinger equation
0
2
a
2
2
亦即 x,t dx x,t dx x,t dx 1
0
a
A2 a sin 2 x d x 1
0
a
A2·a 1 归一化因子 2
A
2 a
归一化的波函数为
0
x,
t
2
e
i t
sin
x
a
a
x 0, x a 0 x a
Wave function and The Schrödinger equation
第二讲 第二章
2.1 波函数的统计解释 2.2 态叠加原理
1
学习内容
Wave function and The Schrödinger equation
➢ 2.1 波函数的统计解释 The Wave function and its statistic
4
§2.1 波函数的统计解释Wave function and The Schrödinger equation
1．微观粒子状态的描述
微观粒子因具有波粒二象性 要求在描述微观粒子的运动时，要有创新的概念统 一波和粒子这样两个在经典物理中截然不同的物理 图像。
德布罗意指出：微观粒子的运动状态可用一个复 函数 (rr,t) 来描述，函数 (rr,t) — 称为波函数。 ★ 描述自由粒子的波是具有确定能量和动量的平面波
（1）“微观粒子的运动状态用波函数描述，描写粒 子的波是几率波”，这是量子力学的一个基本假设 （基本原理）。
知道了描述微观粒子状态的波函数，就可知道粒 子在空间各点处出现的几率，以后的讨论进一步知道， 波函数给出体系的一切性质，因此说波函数描写体系 的量子状态（简称状态或态）
（2）波函数一般用复函数表示。
Wave function and The Schrödinger equation
( r,t )d ( r,t ) 2d 1
满足此条件的波函数 rr,t 称为归一化波函数。
又因
(rv,t) 2 d C2
(rv,t)
2
d
1
其中
C
1
(rv,t) 2 d
称为归一化常数
于是
(r,t) (r,t) 2