周世勋《量子力学教程》配套题库章节题库微扰理论【圣才出品】
周世勋量子力学习题答案(七章全)
−
h2 2μ
d2 ψ dx2
(x)
+ U (x)ψ
(x)
=
Eψ
6.62559 ×10−34 × 2.997925 ×108 1.380546 ×10−23
= 2.898 ×10−3 m ⋅ k
[注]
ρν
根据
=
8πhν 3 c3
1
hν
e kT − 1
可求能量密度最大值的频率：
x = hν
令
kT
ρν
=
Ax3
1 ex −1
（
A
=
8πk 3T c3h2
3
）
dρν dν
球面波。
2.3 一粒子在一维势场
⎧∞ U (x) = ⎪⎨0
⎪⎩∞
x<0 0≤ x≤a x>a
中运动，求粒子的能级和对应的波函数。
[解]：由于势函数U (x) 不随时间变化
体系的状态波函数满足定态 Schrödinger 方程
0
a
− h2 ∇2ψ (x) + U (x)ψ (x) = Eψ (x) 2m
vj = ih [ψ (rv)∇ψ *(rv) −ψ *(rv)∇ψ (rv)] 则有： 2μ 即 vj 仅是空间坐标 (x, y, z) 的函数，与时间无关。
2.2 由下列两定态波函数计算几率流密度。
（1）
ψ1
=
1 r
eikr
ψ
（2）
2
=
1 e−ikr r
从所得结果说明ψ1 表示向外传播的球面波，ψ 2 表示向内（即向原点）传播的球面波。
m
= 2.43 ×10−12 m = 2.43 ×10−2 A°
周世勋《量子力学教程》(第2版)配套模拟试题及详解(一)【圣才出品】
周世勋《量子力学教程》（第2版）配套模拟试题及详解（一）一、简答题（每小题5分，共20分。
）1．何谓微观粒子的波粒两象性？答：微观粒子既不是粒子，也不是波。
更确切地说，它既不是经典意义下的粒子，也不是经典意义下的波，但是，它即具有经典粒子的第一条属性（具有确定的质量、电荷与自旋），又具有经典波动的第三条属性（具有干涉与衍射现象）。
严格地说，电子就是电子，粒子与波只是微观粒子的两种不同的属性。
如果硬是要用经典的概念来理解它的话，那么，它既具有经典粒子的属性又具有经典波动的属性，是经典粒子与经典波动这一对矛盾的综合体。
2．波函数和它所描写的粒子之间有什么关系？解：微观粒子的状态可用一个波函数完全描述，从这个波函数可以得出体系的所有性质。
波函数一般应满足连续性、有限性和单值性三个条件。
微观粒子的状态波函数ψ用算符Fˆ的本征函数Φ展开（n n n F Φ=Φλˆ，λλλΦ=ΦF ˆ）：∑⎰Φ+Φ=ψn n n d c c λλλ，则在ψ态中测量粒子的力学量F 得到结果为n λ的几率是2n c ，得到结果在λλλd +→范围内的几率为λλd c 2。
3．坐标x 分量算符与动量x 分量算符ˆx p的对易关系是什么？并写出两者满足的测不准关系。
答：对易关系为[]ˆ,x x p i = ，测不准关系为2x x p ∆∆ ≥。
4．什么叫电子自旋？解：电子的内禀特性之一：（1）在非相对论量子力学中。
电子自旋是作为假定由Uhlenbeck 和Goudsmit 提出的：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：2 ±=z s ；每个电子具有自旋磁矩M s ，它和自旋角动量的关系式：μμ2 e M S e M sz s ±=→-=。
（2）在相对论量子力学中，自旋象粒子的其他性质—样包含在波动方程中，不需另作假定。
二、（25分）在时间t＝0时，一个线性谐振子处于下列归一化的波函数所描写的状态：式中u n（x）是振子的第n个本征函数。
周世勋《量子力学教程》(第2版)-微扰理论笔记和课后习题(含考研真题)详解(圣才出品)
第5章微扰理论5.1复习笔记一、定态微扰理论1．适用范围及使用条件求分立能级及所属波函数的修正。
适用条件是：一方面要求H 可分成两部分，即'0H H H +=，同时0H 的本征值和本征函数已知或较易计算；另一方面又要求0H 把H 的主要部分尽可能包括进去，使剩下的微扰'H 比较小，以保证微扰计算收敛较快，即'(0)(0)(0)(0)1,mnn mn mH E E E E <<≠-（1）非简并情况微扰作用下的哈密顿量可表示为：'0H H H +=第n 个能级可近似表示为：∑+-++=mmnnmnn nn EEH H E E)0()0(2''')0(相应的波函数可近似表示为：∑+-+=mm mn mn nn E E H )0()0()0('')0(ψψψ（2）简并情况能级的一级修正由久期方程0det )1('=-v k v E H μμδ即)1(''2'1'2)1('22'21'1'12)1('11=---nkk k k knknE H H H H E H H H H E H给出。
个实根，记为有k k f E )1(k k f E ,,2,1,)1( =αα，分别把每一个根)1(αk E 代入方程∑==-kf v v v k va E H 1)1('0)(μαμδ，即可求得相应的解，记为v a α，于是可得出新的零级波函数∑>>=vkv vkv a φα||。
相应的能量为：)1()0(αk k k E E E +=。
2．氢原子的一级斯塔克效应（1）斯塔克（Stark）效应：原子在外电场作用下所产生的谱线分裂的现象。
（2）用简并情况下的微扰论解释氢原子的斯塔克效应：由于电子在氢原子中受到球对称的库仑场的作用，第n 个能级有2n 度简并。
《量子力学教程》周世勋课后答案
量子力学课后习题详解第一章 量子理论基础1．1 由黑体辐射公式导出维恩位移定律：能量密度极大值所对应的波长m λ与温度T 成反比，即m λ T=b （常量）；并近似计算b 的数值，准确到二位有效数字。
解 根据普朗克的黑体辐射公式dv echv d kThv v v 11833-⋅=πρ， （1） 以及 c v =λ， （2）λρρd dv v v -=， （3）有,118)()(5-⋅=⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=kThc v v ehc cd c d d dv λλλπλλρλλλρλρρ这里的λρ的物理意义是黑体内波长介于λ与λ+d λ之间的辐射能量密度。
本题关注的是λ取何值时，λρ取得极大值，因此，就得要求λρ 对λ的一阶导数为零，由此可求得相应的λ的值，记作m λ。
但要注意的是，还需要验证λρ对λ的二阶导数在m λ处的取值是否小于零，如果小于零，那么前面求得的m λ就是要求的，具体如下：01151186'=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⋅+--⋅=-kT hc kThce kT hc ehcλλλλλπρ⇒ 0115=-⋅+--kThc ekThcλλ⇒ kThcekThc λλ=--)1(5 如果令x=kThcλ ，则上述方程为 x e x =--)1(5这是一个超越方程。
首先，易知此方程有解：x=0，但经过验证，此解是平庸的；另外的一个解可以通过逐步近似法或者数值计算法获得：x=4.97，经过验证，此解正是所要求的，这样则有xkhc T m =λ把x 以及三个物理常量代入到上式便知K m T m ⋅⨯=-3109.2λ这便是维恩位移定律。
据此，我们知识物体温度升高的话，辐射的能量分布的峰值向较短波长方面移动，这样便会根据热物体（如遥远星体）的发光颜色来判定温度的高低。
1．2 在0K 附近，钠的价电子能量约为3eV ，求其德布罗意波长。
解 根据德布罗意波粒二象性的关系，可知E=hv ，λh P =如果所考虑的粒子是非相对论性的电子（2c E e μ<<动），那么ep E μ22= 如果我们考察的是相对性的光子，那么E=pc注意到本题所考虑的钠的价电子的动能仅为3eV ，远远小于电子的质量与光速平方的乘积，即eV 61051.0⨯，因此利用非相对论性的电子的能量——动量关系式，这样，便有ph=λnmm m E c hc E h e e 71.01071.031051.021024.1229662=⨯=⨯⨯⨯⨯===--μμ在这里，利用了m eV hc ⋅⨯=-61024.1以及eV c e 621051.0⨯=μ最后，对Ec hc e 22μλ=作一点讨论，从上式可以看出，当粒子的质量越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强；同样的，当粒子的动能越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强，由于宏观世界的物体质量普遍很大，因而波动性极弱，显现出来的都是粒子性，这种波粒二象性，从某种子意义来说，只有在微观世界才能显现。
量子力学教程(第三版)周世勋课后答案详解
1量子力学课后习题详解第一章量子理论基础1．1由黑体辐射公式导出维恩位移定律：能量密度极大值所对应的波长m λ与温度T 成反比，即m λT=b （常量）；并近似计算b 的数值，准确到二位有效数字。
解根据普朗克的黑体辐射公式dv ec hvd kThv vv 11833−⋅=πρ，（1）以及c v =λ，（2）λρρd dv v v −=，（3）有,118)()(5−⋅=⋅=⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=−=kT hcv v e hc cd c d d dv λλλπλλρλλλρλρρ这里的λρ的物理意义是黑体内波长介于λ与λ+d λ之间的辐射能量密度。
本题关注的是λ取何值时，λρ取得极大值，因此，就得要求λρ对λ的一阶导数为零，由此可求得相应的λ的值，记作m λ。
但要注意的是，还需要验证λρ对λ的二阶导数在m λ处的取值是否小于零，如果小于零，那么前面求得的m λ就是要求的，具体如下：201151186'=⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎝⎛−⋅+−−⋅=−kThc kThce kT hc ehc λλλλλπρ⇒115=−⋅+−−kThc ekThc λλ⇒kThc ekThc λλ=−−)1(5如果令x=kThcλ，则上述方程为xe x =−−)1(5这是一个超越方程。
首先，易知此方程有解：x=0，但经过验证，此解是平庸的；另外的一个解可以通过逐步近似法或者数值计算法获得：x=4.97，经过验证，此解正是所要求的，这样则有xkhc T m =λ把x 以及三个物理常量代入到上式便知Km T m ⋅×=−3109.2λ这便是维恩位移定律。
据此，我们知识物体温度升高的话，辐射的能量分布的峰值向较短波长方面移动，这样便会根据热物体（如遥远星体）的发光颜色来判定温度的高低。
1．2在0K 附近，钠的价电子能量约为3eV ，求其德布罗意波长。
解根据德布罗意波粒二象性的关系，可知E=hv ，λh P =如果所考虑的粒子是非相对论性的电子（2c E e µ<<动），那么ep E µ22=如果我们考察的是相对性的光子，那么E=pc注意到本题所考虑的钠的价电子的动能仅为3eV ，远远小于电子的质量与光速平方的乘积，即eV 61051.0×，因此利用非相对论性的电子的能量——动量关系式，这样，便有ph=λ3nmm mE c hc E h e e 71.01071.031051.021024.1229662=×=××××===−−µµ在这里，利用了meV hc ⋅×=−61024.1以及eVc e 621051.0×=µ最后，对Ec hc e 22µλ=作一点讨论，从上式可以看出，当粒子的质量越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强；同样的，当粒子的动能越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强，由于宏观世界的物体质量普遍很大，因而波动性极弱，显现出来的都是粒子性，这种波粒二象性，从某种子意义来说，只有在微观世界才能显现。
周世勋《量子力学教程》(第2版)-量子力学若干进展笔记和课后习题(含考研真题)详解(圣才出品)
第8章量子力学若干进展8.1复习笔记一、朗道能级1．能级推导电子在均匀外磁场B（沿z 方向）中，取朗道规范后，得定态薛定谔方程：ψψψE p p y B e p m H z y x =⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=22221 鉴于力学量(,,)x z H p p 互相对易，得相应本征态为：)(),,(/)(y e z y x z p x p i zx χψ +=其中，()y χ满足谐振子能量本征值方程（平衡位置在0y ）：)()2()()()(2)(22202222y mp E y y y mc eB m y dy d m z χχχ-=-+- 其中，0||x cp y e B =。
由此可得出朗道能级：2,1()22z z p n c p E n m ω=++ 。
2．结果讨论（1）从经典观点出发：电子沿磁场方向做螺旋运动。
从量子观点出发：电子沿磁场方向做自由运动，在垂直磁场方向绕z 轴旋转。
（2）磁场对能量贡献1||(2z e n B B mcμ+=- ，0z μ<称为朗道抗磁性，与电荷正负无关，是自由带电粒子在磁场中的一种量子效应。
（3）二维电子气的朗道能级简并度是外磁场ϕ中含元磁通量子（0||hc e ϕ=）数目。
二、阿哈罗诺夫-玻姆效应在经典电动力学中，场的基本物理量是电场强度E 和电磁感应强度B，势ψ和A 是为了方便引入的，并不是真实的物理量。
但在量子力学中，势ψ和A 具有可观测意义。
图8-11．实验及其现象如图8-1，从电子枪S 出射的电子束流经双缝和两条路径21,P P 到达屏上，在两条路径中放置一个很长的电流螺线管，垂直纸面，管内磁场强度B 垂直纸面向外（取为z 轴）。
当螺线管通以电流时，屏上出现的干涉条纹产生了移动。
2．现象讨论（1）因螺线管的外部并不存在磁场，所以经典电动力学中，磁场的物理效应不能完全用B 来进行描述。
（2）当螺线管内有磁通ϕ时，电子经过的外部空间B=0，但0≠A 时，因为对包围螺线管的任一闭合回路路径积分有⎰=⋅φl d A ，矢势A 可以对电子发生相互作用。
量子力学教程习题答案周世勋
解：
= 1
= 0
*
= 0
同理可证其它的正交归一关系。
*
1
综合两方面，两电子组成体系的波函数应是反对称波函数，即
2
独态：
*
三重态：
单击添加文本具体内容简明扼要地阐述你的观点
单击此处添加副标题
*
解：电子波函数的空间部分满足定态S-方程
*
*
两电子的空间波函数能够组成一个对称波函数和一个反对称波函数，其形式为
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
跟课本P.39(2.7-4)式比较可知，线性谐振子的能量本征值和本征函数为
式中
02
为归一化因子，即
03
求线性谐振子哈密顿量在动量表象中的矩阵元。
01
解：
02
*
第五章 微扰理论
*
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《量子力学教程》 习题解答
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《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
*
01
第一章 绪论
第七章 自旋和全同粒子
03
第三章 力学量的算符表示
单击此处添加正文
05
第五章 微扰理论
单击此处添加正文
02
第二章 波函数和薛定谔方程
单击此处添加正文
04
第四章 态和力学量的表象
单击此处添加正文
《量子力学教程》周世勋_课后答案
量子力学课后习题详解 第一章 量子理论基础1．1 由黑体辐射公式导出维恩位移定律：能量密度极大值所对应的波长m λ与温度T 成反比，即m λ T=b （常量）；并近似计算b 的数值，准确到二位有效数字。
解 根据普朗克的黑体辐射公式dv echv d kThv v v 11833-⋅=πρ， （1） 以及c v =λ， （2）λρρd dv v v -=， （3）有,118)()(5-⋅=⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=kThc v v ehc cd c d d dv λλλπλλρλλλρλρρ这里的λρ的物理意义是黑体内波长介于λ与λ+d λ之间的辐射能量密度。
本题关注的是λ取何值时，λρ取得极大值，因此，就得要求λρ 对λ的一阶导数为零，由此可求得相应的λ的值，记作m λ。
但要注意的是，还需要验证λρ对λ的二阶导数在m λ处的取值是否小于零，如果小于零，那么前面求得的m λ就是要求的，具体如下：01151186'=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⋅+--⋅=-kT hc kThce kT hc ehcλλλλλπρ⇒ 0115=-⋅+--kThc ekThcλλ⇒ kThcekThc λλ=--)1(5 如果令x=kThcλ ，则上述方程为 x e x =--)1(5这是一个超越方程。
首先，易知此方程有解：x=0，但经过验证，此解是平庸的；另外的一个解可以通过逐步近似法或者数值计算法获得：x=4.97，经过验证，此解正是所要求的，这样则有xkhc T m =λ 把x 以及三个物理常量代入到上式便知K m T m ⋅⨯=-3109.2λ这便是维恩位移定律。
据此，我们知识物体温度升高的话，辐射的能量分布的峰值向较短波长方面移动，这样便会根据热物体（如遥远星体）的发光颜色来判定温度的高低。
1．2 在0K 附近，钠的价电子能量约为3eV ，求其德布罗意波长。
解 根据德布罗意波粒二象性的关系，可知E=hv ，λhP =如果所考虑的粒子是非相对论性的电子（2c E e μ<<动），那么ep E μ22= 如果我们考察的是相对性的光子，那么E=pc注意到本题所考虑的钠的价电子的动能仅为3eV ，远远小于电子的质量与光速平方的乘积，即eV 61051.0⨯，因此利用非相对论性的电子的能量——动量关系式，这样，便有ph =λnmm m E c hc E h e e 71.01071.031051.021024.1229662=⨯=⨯⨯⨯⨯===--μμ在这里，利用了m eV hc ⋅⨯=-61024.1以及eV c e 621051.0⨯=μ最后，对Ec hc e 22μλ=作一点讨论，从上式可以看出，当粒子的质量越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强；同样的，当粒子的动能越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强，由于宏观世界的物体质量普遍很大，因而波动性极弱，显现出来的都是粒子性，这种波粒二象性，从某种子意义来说，只有在微观世界才能显现。
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1 a2
1 b2
1 c2
2 2 2
1
a
2
1 b2
22 c2
2 2 2
2 a2
2 b2
5 c2
虽然能量
E101
是三度简并的，但因
H
ij
0 ，i
j ，故仍可用非简并微扰方法处理，一
级修正能量为：
E(1) (0) (r1r2S1z S2z ) A (r1 r2 ) (0) (r1, r2S1z S2z )d1d 2
12(r11(1,r11r)2 )1(1r221)m(S11z(1rS21)2z )1(1r，12)
m
0, 1
其中：
11(S1zS2z ) (1) (2)
10 (S1z S2z )
1 [ (1) (2) (2) (1)] 2
11(S1zS2z ) (1) (2)
能量为：
E (0)
2 2 2
E (1)
为零级近似波函数，能量一级修正为：
(*r(10,r)2 ) A (r1 r2 ) (0) (r1, r2
)d
1d
2
A
8 abc
2
a b
sin
4πx1 a
dx1
b c
sin
4πy1 b
dy1
c d
sin
4πz1 c
dz1
27 A
8abc
一级近似能量为：
E
E(0)
E (1)
2π2
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第 5 章 微扰理论
一、简答题 1．使用定态微扰论时，对哈密顿量 H 有什么样的要求？
答：一方面耍求 H 可分成两部分，即
，同时 H。的本征值和本征函数已知
或较易计算；另一方面又要求 H0 把 H 的主要部分尽可能包括进去，使剩下的微扰 H'比较
时，体系能量最低，此时波函数为：
((r01),r2 )
(r1 ) 111
(r2 ) 111
8
sin x1 sin y1 sin z1 sin x2
abc a b c a
sin y2 b
sin z2 c
0
盒内 盒外
能量为：
E(0)
2
π22 2
1 a2
1 b2
1 c2
。
此态是非简并的， ((r01),r2 )
第三最低能态的能量，将你的结果保留在积分式。
解：（1）求粒子体系的能量本征值和本征函数。忽略两粒子间的相互作用时，体系总
能量：
E
E1
E2
22 2a2
(n12
n22 )
考虑到是全同费米子体系，体系的总波函数 (x1, x2 ) (s1z , s2z ) 必须是反对称的，
第一最低能态：n1＝1，n2＝1， E11
小，
以保证微扰计算收敛较快，即
1．分别写出非简并态的一级、二级能量修正表达式。
答：
Hˆ Hˆ 0 Hˆ1
，
Hˆ 0k Ek0k
；
E (1) k
k
Hˆ 1 k
，
E ( 2) k
sk
s Hˆ 1 k 2 Ek0 Es0 。
二、综合分析题
1．两个质量为 的粒子被局限在边长 a b c 的长方体盒中，粒子间的相互作用势 V A (r1 r2 ) 可视为微扰，在下列条件下用一级微扰方法计算体系的最低能量：
(r) nx ny nz
0
8 sin nxπx sin nyπy sin nzπz
abc a
b
c
Enx ny nz
π22 2
nx2
a2
ny 2 b2
nz 2 c2
1 / 47
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当
2
个粒子均处于单粒子基态
(r ) 111
2 / 47
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A
* 111
(r1
)
* 112
(r2
)
* 111
(r2
)
* 112
(r1
)
(r1
r2 )
111(r1)112 (r2 ) 111(r2 )112 (r1)
d1d 2
0
所以
E
E (0)
E (1)
22 2
2
(3) 12
2 a
sin
x1 a
sin
2 x2 a
sin
2 x1 a
sin
x2 a
1 2
( s1z
)1 2
( s2 z
)
1 2
( s1z
(1,2,3) 12
A (x1, x2 )S (x1, x2 )
3 / 47
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(1,2) 12
2 a
sin
x1 a
sin
2 x2 a
sin
2 x1 a
sin
x2 a
1 (s1z ) 1 (s2z )
2
可得近似到一级时的能量修正为
En
E(0) n
E(1) n
n2 22 2a2
0 1 ( 1)n
3．两个质量为 自旋为 1/2 的全同粒子处于一维无限深势阱（0＜x＜a）中，忽略自
旋相关力，求：
（1）粒子间无相互作用，用单粒子态和自旋态给出三个最低能态；
（2）粒子间有相互作用势能 V（x1，x2），这可看成微扰，以一阶微扰理论计算第二、
2π22 2a2
，则
11
2 a
sin
x1 a
sin
x2 a
1 2
(s1z
)
1
2
(s2z )
1
(s1z
)
1
2
2
(s2z )
由于空间运动波函数是对称的，故自旋运动的波函数必为反对称的，且基态为非简并态。
第二最低能态：n1、n2 分别取
1
和
2，
E12
5 22 2a2
可组成如下四个态：
三重态：
ห้องสมุดไป่ตู้
1 a2
1 b2
1 c2
27 A 8abc
。
（2）波函数与能量同（1）。
（3）总自旋 S 1 ，自旋波函数为交换对称的，这就要求空间波函数是交换反对称的，
两个粒子不可能同处于同一粒子态上，只能是一个在
(r ) 111
，一个在
(r ) 112
（因
a
b
c
）空
间波函数为：
(r1, r2 ) (0) (r1r2S1zS2z )
（1）粒子为非全同；
（2）粒子为零自旋的全同粒子；
（3）粒子为自旋 S 1 的全同粒子，并处在总自旋 S 1的态上。 2
积分公式：
sin 4
xdx
3x 8
3 16
sin
2
x
1 4
sin3
x
cos x
。
解：（1）先不考虑微扰，单粒子态波函数与能量分别为（ nx，ny，nz 1，2，… ）：
2 a2
2 b2
5 c2
2．考虑在宽度为
a
的一维无限深势阱中运动的粒子，受微扰
H
a0
x
a 2
的
作用， 0 为常数，试计算近似到一级时的能量修正。
解：由题意可得：
E (1) n
H
nn
2 a
A
sin
0
n a
x
a0
x
a 2
sin
n a
x
dx
20
sin 2
n 2
0 (1 cos n ) 0 (1 (1)n )