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量子力学总结
量子力学研究对象:
微观粒子运动规律
第一章
一、经典物理学的困难
1、黑体辐射问题
2、光电效应问题
3、原子的线状光谱和原子结构问题
4、固体在低温下的比热问题
二、量子力学的两个发展阶段
1、旧量子论(1900-1924)以普朗克、爱因斯坦、玻尔为代表
2、新量子论(1924年建立)以德布罗意、薛定谔、玻恩、海森堡、狄拉克为代表
三.光的波动性
典型的实验:
1802年的杨氏干涉实验和后来的单缝、双缝衍射实验。
四.黑体辐射
如果一个物体能全部吸收投射到它上面的辐射而无反射,这种物体为绝对黑体(简称黑体),它是一种理想化模型。
五、光电效应
1、在光的作用下,电子从金属表面逸出的现象,称为光电效应。
2、自1887年Hertz起,到1904年Milikan为止,光电效应的实验规律被逐步揭露出来。
其中,无法为经典物理学所解释的有:
(1)对一定的金属,照射光存在一个临界频率,低于此频率时,不发生光电效应。
(不论光照多么强,被照射的金
属都不发射电子)
(2)光电子的动能与照射光的频率成正比(),而与光的强度无关。
(3)光电效应是瞬时效应()
六、康普顿效应
定义:
短波电磁辐射(如X射线,伽玛射线)射入物质而被散射后,除了出现与入射波同样波长的散射外,还出现波长
向长波方向移动的散射现象公式推导:
公式是又康普顿提出的,有康普顿和吴有训用实验证实的。
七:
玻尔理论的两个基本假设
(1)量子条件:
(且存在定)
(2)率条件:
,有
(1)、
(2)可得
量子化通:
n=1,2,3⋯⋯玻理不能解多子原子
和的度。
玻理是半典半量子的理。
八、德布意假
德布意1924年提出:
微粒子也具有波粒二象性。
德布意关系式:
种表示自由粒子的平面波称德布意波或“物波”。
九、平面波方程
或
种波(自由粒子的平面波)称德布意波。
十、德布意波的
1.子的衍射
1927年美国科学家戴(Davisson)和革末(Germer)用了德布意波的正确性。
后来,姆又用子通金箔得到了子的衍射。
2.子的干涉
3.
它是由江希太特和杜开在
1954年作出。
后来又由法盖特和特在
1956年做出。
4.
其他表面:
一切微粒子都具有波粒二
象性
5.物波的用
子微(分辨率的普遍表达式)
第二章
一、典力学点的描述(坐和量)
律:
二、自由粒子的波函数(德布意假)
三、波函数的解
Born首先提出了波函数意的解:
波函数在空某点的度(振幅的平方)和在点找到粒子的几率成比例,即描写粒子的波可以是几率波。
四、波函数的性
1.
表示:
在t刻,在r点,在dτ=dxdydz体内,找到由波函数Ψ(r,t)描写的粒子的几率是。
2.几率密度:
3.粒子在全空间出现的几率(归一化):
则:
4.,描写的是同一态
6.归一化波函数令:
则:
为归一化条件
满足上式的波函数称为归一化波函数,使变为的常数称为称为归一化常数。
注意:
1).波函数在归一化后也还不是完全确定的,还存在一个相因子
的不确定。
因为:
2).不是所有的波函数都可按上述归一化条件求一化,即要求
为有限(平方可积的),如果是发散的,则无
意义。
例如:
自由粒子的波函数
,
注意:
波函数是时间位置的函数,即
五、经典波的态迭加原理
两个可能的波动过程
的线形迭加的结果
也是一个可能的波动过程。
六、态迭加原理
如果
是体系的可能状态,那么,它们的线形迭加
也是这个体系的可能状态
七、两种迭加原理的区别
1.在状态
中,对某力学量
Q进行测量,测到
Q值可能是
,也可能是
,但绝对不会是其他的值
(和抛硬币的情形差不多)。
2.若
,则
,这时
与
是同一态,这与经典波的迭加不同
3.当粒子处于态
和态
的线形迭加态时,粒子是既处于态
,又处于态
,例如抛正六面体的塞子。
八、态迭加原理的一般表达式
,,为复数九、薛定谔方程应该满足的条件
1、方程应当是对时间的一阶微分方程(这是由波函数完全描写的基本假设所决定)
2、方程是线性的
即如果和是方程的解,那么它们的线性迭加也是方程的解,这是态迭加原理的要求。
3、这个方程的系数不应该包含状态的参量。
如动量、能量等。
但可含有,因为由外场决定,不是粒子的
状态参量。
十、薛定谔方程
1、能量算符和动量算符
(能量算符)
(动量算符)
(劈行算符)
2、薛定谔方程:
3、多粒子体系的薛定谔方程
十一、
十二、质量密度和质量流密度(守恒定律)
1.质量密度:
2.质量流密度:
3.质量守恒定律:
4.电荷守恒定律:
其中:
十三、波函数的标准条件:
单值,有限,连续
十四、定态:
定态波函数:
定态的特点:
1、粒子的几率密度和几率流密度与时间无关
2、∵
显然,
3、能量具有确定的值(可由自由粒子的波函数进行验证)
4、各力学量的平均值不随时间变化
十五、哈密顿算符的本征方程:
(被称为算符
的本征值,
称为算符的本征方程)
十六、一维谐振子的能量可能取值为:
第三章
微观粒子的波粒二象性表示微观粒子的力学量——算符
一.算符
1.定义:
算符是指作用在一个函数上得出另一个函数的运算符号
2.算符的作用:
算符作用在一个函数u上,使之变成另一个新的函数v:
二.算符的运算规则
1.算符相等:
如果
,则
(u为任意函数)
2.算符相加:
若,则
且(满足加法交换律)
(满足加法结合律)
3.算符相乘:
若
4.算符的对易关系
,则
如果,
一般来说,算符之积并不一定满足对易律,即一般地
三.线性算符
若
则称为线性算符,其中
为两个任意函数,
是常数(复数)。
四.厄密算符
如果对于任意两个函数和,算符满足下列等式:
两个厄密算符之和仍为厄密算符,但两个厄密算符之积却不一定是厄密算符,除非两者可以对易。
波函数的标积,定义:
五.算符的本征值和本征函数
如果算符
作用在一个函数
,结果等于
乘上一个常数
:
则称
为
的本征值,
为属于
的本征函数,上面方程叫本征方程。
本征方程的物理意义:
如果算符
表示力
学量,那么当体系处于
的本征态
时,力学量有确定值,这个值就是
在态中的本征值。
六.力学量的算符表示
1.几个例子:
(
表示为坐标的函数时,
)
动量
:
能量E:
坐标:
(可写成等式)
2.基本力学量算符:
动量和坐标算符:
3.其他力学量算符:
量子力学中表示力学量的算符都是厄密算符:
所有力学量的数都是数,既然表示力学量的算符的本征是个力学量的可能,因而表示力学量的算符,它的本征必是数,而厄密算符就具有个性。
七、量算符
1、量算符的本征方程是:
(是量算符的本征,相的本征函数)
上式的三个分量方程是:
它的解是:
2、角量算符
角量:
角量平方算符是:
本征方程:
的本征是,所属本征函数是:
的本征方程:
八:
1.主量子数n:
决定能量量子化
2.n,l,m之的关系:
n=1,2,3⋯⋯⋯⋯
l=0,1,2,3,⋯⋯n-1
m=0,
3.能量的并度
离子的状由波函数
来完全描述,在
中只要有一个脚不同,就代表不同的状,
而只与
n
有关,所以能
是并的,并度:
九.函数正交性的意义:
如果两函数和满足关系式:
则称和相互正交。
十.定理:
厄密算符的属于不同本征值的两个本征函数相互正交。
正交归一条件:
分立谱:
连续谱:
满足上述条件的函数系或,被称为正交归一系。
十一、正交归一函数系实例
1.动量本征函数组成正交归一系
2.线性谐振子能量本征函数组成正交归一系
3.角动量本征函数组成正交归一系
4.氢原子波函数组成正交归一系
十二.力学量的可能值
1.力学量算符的本征值函数组成完全系,即:
为任意函数,为力学量算符的本征函数,为展开系数:
2.力学量的可能值和相应的几率
以表示体系的状态波函数(它不一定是本征态),且已归一化,则:
即的绝对平方之和等于1
具有几率的意义,它表示在态中测量力学量得到的结果是的本征值的几率。
十三、泊松括号“”
1.定义:
2.性质:
十四、量子力学的基本对易式:
将以上式子写成通式有:
其中
由上可知:
动量分量和它所对应的坐标是不对易的,而和它不对应的坐标是对易的;动量各分量之间也是对易的。
十五、角动量算符的对易式
写成通式:
可见,分别和中的每一个都对易。
十六、不同力学量算符有共同本征函数系的充要条件
1.定理:
如果算符和有共同的完全的本征函数系,则算符和对易。
2.逆定理:
如果两算符对易,则这两个算符有共同的完全的本征函数系。
3.推论:
一组算符有完全的共同本征函数系的充要条件是:
这组算符中的任意两个算符都可对易。
十七、不同力学量同时确定值的必要条件
1.体系处于的本征态时,测量才有确定值;
2.两力学量同时有确定值的条件是:
两力学量算符具有共同的本征函数(或处于共同的本征态)或两力学量算符和对易,即:
3.一组力学量同时有确定值的条件是:
这组力学量算符两两对易。
(它们有共同的完全的本征函数系)
十八.测不准关系
测不准关系的普遍表达式
若则或
其中
这就是坐标和动量的测不准关系
或
十九、守恒量:
凡不显含时间,且其算符与体系的哈密顿算符对易的力学量,称为该体系的守恒量。
特点:
1、在体系任意状态下,平均值不随时间变化
2、在体系的任意状态下,几率分布不随时间改变
守恒量是量子力学中一个极其主要和应用极为广泛的概念,初学者往往把它与定态概念混淆起来。
应当指出,定态是体系的一种特殊状态,而守恒量则是体系的一种特殊的力学量,它与体系的哈密顿量对易。
在定态之下,一切力学量(不显含时间,但不管是否守恒量)的平均值及概率分布不随时间改变;而力学量只要是体系的守恒量,则在体系的一切状态下(不管是否定态),它的平均值和几率分布都不随时间改变。
由此可知,只有当体系不处于定态,而力学量又非体系的守恒量,力学量的平均值和几率分布才随时间改变。
二十、几个重要的守恒量
1、能量守恒
若体系的哈密顿算符不显含时间:
2、动量守恒:
3、角动量守恒:
4、宇称守恒:
(偶宇称)
(奇宇称)
第四章
表象:
量子力学中态和力学量的具体表示方式成为表象
一、平均值公式
代入平均值公式:
上式写成矩阵相乘形式为:
或者简写为:
二、本征方程
久期方程:
它是的多次方程,解之可得到一组值:
,...,,....就是F的本征值;把求得的值分别代入
,就可以求得与每个相对应的本征矢(函数)三.表象基矢的变换
设算符的正交归一本征函数算符的正交归一本征函数系为则算符
在A表象和B表象中的矩阵元分别为:
A表象:
(),,1,2,F
F
xdx
B表象:
x
将(x)按完全系(),(),
x
1
2展开:
S
(x)(x)
n
n
n
(x)S
(x)
m
m
m
式中展开系数Sn及S
m由下式给出:
S
*(x)(x)dx
n
n
(x)(x)dx
S
mm
变换矩阵S的一个基本性质:
S*S
(
~
k
k
k
SS)
(S)S
(S*)
S
k
k
k
k
k
k
|*|
kk
k
||
kk
k
|
I
所
以
:
S
SSSS
(S)
m
nmn
nn
Sn
S
*(x)dx
n
(x)
*(x)(x)dx
n
m
n
*(x)c(x)dx
n
m
*(x)dx
n
c
*(x)(x)dx
n
m
mn
即SSI
四.力学量算符的表象变换
*m(x)S*mFS
F
n
mn
S
Fdx
S**
mmn
mn
*
SFS
mmnn
mn
F
SFS
(x)dx
n
S
F
S
mn
*
mn
n
m
五、么正变换的主要性质
1.么正算符不改变算符的本征值
设F
在A
表象中的本征方程为:
Fa=λa,则在B
表象中:
1
1
Fb
S
FSSa
1
S
Fa
S
a
1
1
1
S
a
b
1
1
(因为F
S
FSb
Sa
)
可见,不同的表象中,力学量算符
F对应同一状态(a和b描写同一状态)的本征值不变,基于这一性质,解
F的本
征值问题就好是把该力学量从某一表象变到自身表象,使
F矩阵对角化。
2.么正变换不改变矩阵的迹
设经过么正变换后,矩阵
F
变为F
,则:
F
1
SFS
因为:
S(S
1
FS)
p
SF
p
1
Sp(SSF)
SF
即:
F
的迹等于F
的
p
迹
3.矩阵方程式经过么正变换保持不变
若矩阵方程
表象A:
F
(F
)
则
表象B:
F
(F
)
4.么正变换不改变厄密矩阵的厄密性
六、狄喇克符号
狄喇克符号优点:
一是运算简捷,二是无须用具体表象讨论问题。
1、左矢和右矢
右矢:
左矢:
表示
A
在Q
的共轭矢量,二者的性质不同,不能相加,它们在同一表象中互为共轭函数。
例如:
如果
1
2
A在Q表象中的分量为
{a*,
*,
*}
1a
a
{a,
},
。
a
an
2
n
表象中的分量为
那么
2、标积
A
B
A
B
BA
矢量
和
在同一表象中相应分量的乘积之和称为
和
的标积,用符号
表示,以
{b1*,
b
b*,
*
}
B
2表示
n
在Q表象中的分量,那么:
Aab*ab*anb*ab*
B
1122nnn
n
BAAB*
且
若
若
B
A
B正交,
A
=0,则称矢量
和
A
A
1
A
,
归一化的,则
因此力学量F的本征态的
F
的正交归一条件可以表示为:
i
对分立谱:
Fn
|F
nm
m
F
F
对连续谱:
|
(
')
例如
坐标x的本征矢正交归一化条件是:
动量p的本征矢正交归一化条件是:
x'|x''(x'x'')
p'|p''(p'p'')
七、量子力学公式用狄喇克符号表示:
I
平均值公式:
本征方程:
F
|F?
|
,很容易求得他们在具体表象中的表示。
?
F|
iH
t
薛定谔方程:
||
nn
利用波函数、算符在具体表象中的表示和
八、占有数表象
n
N的物理意义
N?
|
?
?
|
a?
n|n1
n(n
1)1|n
n|n
n
a
an
上式表明:
n是N算符的本征值,描写粒子的数目,故
N称为粒子数算符。
占有数表象
以|n>为基矢的表象称为占有数表象
1.湮灭算符a
n
|a?
|n
n
n
n
|n
1
a
2.产生算符
nn1
n
|a?
|n
n1
n
n
|n
1
1
nn1
3.粒子数N
n
N?
|n
na?
a?
|n
nna?
|n1
n
n
(n
n
|n
nn
4.线性谐振子哈密顿算符:
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