当前位置:文档之家› 量子力学思考题及解答

量子力学思考题及解答

量子力学思考题及解答
量子力学思考题及解答

量子力学思考题

1、以下说法是否正确:

(1)量子力学适用于微观体系,而经典力学适用于宏观体系;

(2)量子力学适用于 不能忽略的体系,而经典力学适用于 可以忽略的体系。 解答:(1)量子力学是比经典力学更为普遍的理论体系,它可以包容整个经典力学体系。 (2)对于宏观体系或 可以忽略的体系,并非量子力学不能适用,而是量子力学实际上已

经过渡到经典力学,二者相吻合了。

2、微观粒子的状态用波函数完全描述,这里“完全”的含义是什么?

解答:按着波函数的统计解释,波函数统计性的描述了体系的量子态。如已知单粒子(不考虑自旋)波函数)(r

ψ,则不仅可以确定粒子的位置概率分布,而且如粒子的动量、能量等其他力学量的概率分布也均可通过)(r

ψ而完全确定。由于量子理论和经典理论不同,它一般只能预言测量的统计结果,而只要已知体系的波函数,便可由它获得该体系的一切可能物理信息。从这个意义上说,有关体系的全部信息显然已包含在波函数中,所以说微观粒子的状态用波函数完全描述,并把波函数称为态函数。 3、以微观粒子的双缝干涉实验为例,说明态的叠加原理。

解答:设1ψ和2ψ是分别打开左边和右边狭缝时的波函数,当两个缝同时打开时,实验说明到达屏上粒子的波函数由1ψ和2ψ的线性叠加2211ψψψc c +=来表示,可见态的叠加不是概率相加,而是波函数的叠加,屏上粒子位置的概率分布由222112

ψψψ

c c +=确定,2

ψ中

出现有1ψ和2ψ的干涉项]Re[2*

21*

21ψψc c ,1c 和2c 的模对相对相位对概率分布具有重要作用。

4、量子态的叠加原理常被表述为:“如果1ψ和2ψ是体系的可能态,则它们的线性叠加

2211ψψψc c +=也是体系的一个可能态”。

(1)是否可能出现)()()()(),(2211x t c x t c t x ψψψ+=;

(2)对其中的1c 与2c 是任意与r

无关的复数,但可能是时间t 的函数。这种理解正确吗? 解答:(1)可能,这时)(1t c 与)(2t c 按薛定谔方程的要求随时间变化。 (2)如按这种理解 ),()(),()(),(2211t x t c t x t c t x ψψψ+=

已知1ψ和2ψ是体系的可能态,它们应满足波方程式 11ψψH t i =??

22

ψψH t

i =?? 如果1ψ和2ψ的线性叠加),()(),()(),(2211t x t c t x t c t x ψψψ+=也是体系的可能态,

就必须满足波方程式 ψψ

H t

i =??

,然而, ?

?????+++=??????+??++??=??dt dc dt

dc

i H c H c dt dc t c dt dc t

c i t i 221122112222111

1ψψψψψψψψψ

可见,只有当

021==dt dc dt dc 时,才有ψψψψ

H c c H t

i =+=??)(2211 。 因此,),()(),()(),(2211t x t c t x t c t x ψψψ+=中,1c 与2c 应是任意复常数,而不是时间t 的复函数。如上式中ψ态不含时间,则有)()()(2211x c x c x ψψψ+=。

5、(1)波函数ψ与ψk 、ψαi e 是否描述同一态?

(2)下列波函数在什么情况下才是描述同一态?22112211212

1

;;ψψψψψψααi i e c e

c c c +++

这里21,c c 是复常数,21,αα是实常数。 解答:(1)ψ与ψk 、ψα

i e 描述的相对概率分布完全相同,如对空间1x 和2x 两点的相对概

=

2

221)

()(x x ψψ=

2

221)

()(x k x k ψψ2

221)

()(x e x e i i ψψαα,故ψ与ψk 、ψαi e 均描述同一态。

(2

复数

θ

i e c c =,以及

2*12*

1*21*212

222

112

2211ψψψψψψψψc c c c c c c c +±+=±

显然,只有当复数c c c ==21,即c c c ==21,且αααi i i e e e ==21

时,

α

ααψψψψψψψψψψi i i e c e c e c c c c )(),(,2122112122112121+=++=++均描述同一态。

6、量子力学规律的统计性与经典统计力学的统计规律有何不同?量子力学统计规律的客观基础是什么?

解答:经典统计力学的基础是牛顿力学,例如一定量气体中每个气体分子在每个瞬时都有确定的位置和动量,每个分子都按牛顿运动定律而运动,而大量分子组成的体系存在着统计规律。例如,对个别分子不存在温度这个概念,处于平衡态的理想气体的温度是分子平均平动动能的量度。

与经典力学不同,量子力学不是像经典统计力学那样建立起来的宏观理论,波函数的统计解释是量子力学的理论结构中的基本假设。

在传统的解释中,量子力学规律的统计性被认为是由波粒二象性所决定的微观粒子的本质特性,是观测仪器对微观粒子的不可控制的作用的结果。如类似经典粒子那样,进一步问:统计性的微观实质是什么?依据是什么?则被认为是超出了基本假设限度,因而是没有意义的,也是没有必要的。

7、量子力学为什么要用算符表示力学量?表示力学量的算符为什么必须是线性厄密的? 解答:用算符表示力学量,是量子体系所固有的波粒二象性所要求的,这正是量子力学处理方法上的基本特点之一。我们知道,表示量子态的波函数是一种概率波,因此,即是在一确定的量子态中,也并非各力学量都有完全确定值,而是一般的表现为不同数值的统计分布,这就注定了经典力学量的表示方法(可由运动状态完全决定)不再使用,因此需要寻求新的表示方法。

下面从力学量的平均值的表示式出发,说明引入算符的必要性。 如果体系处于)(x ψ中,则它的位置平均值为 xdx x x 2

)(?

=ψ 类似地,它的动量的平均值也可表示为 pdx x p 2

)(?=

ψ

若要求出上述积分,必须将p 表示为x 的函数,然而这是做不到的,因为按不确定关系P(x)的表示是无意义的,因此不能直接在坐标表象中用上式求动量平均值。我们可先在动量表象中求出动量平均值,然后再转换到坐标表象中去。 pdp p p 2

)(?

=? 利用?-=

dx e x p ipx

/2/1)()

2(1)(ψπ?有 ???''=

-'dxdp x d e x p x e p ipx x ip

/*/)()(21ψψπ

作代换

//ipx ipx e x

i pe

--??=,并对x p ',积分得(推广到三维) τψψd r i r p )())((* ?-=?

可见,要在坐标表象中计算动量平均值,那么动量矢量恰与算符?- i 相当。实际上,任何一个力学量在非自身表象中计算平均值时,都与相应的算符相当,自然会引入算符表示力学量的概念。

用算符表示力学量问题还可以从另一个角度来说明。我们知道,在量子力学中,力学量之间的关系从其数值是否能同时确定来考虑,有相互对易与不对易两种,而经典力学量之间都是对易的,因此经典力学量的表示方法不能适用于量子力学,然而数学运算中算符与算符之间一般并不满足交换律,也就是存在不对易情况,因此用算符表示力学量是适当的。 力学量必须用线性厄密算符表示,这是由量子态叠加原理所要求的;任何力学量的实际测量值必须是实数,因此它的本征值也必为实数,这就决定了力学量必须由厄密算符来表示。

8、力学量之间的对易关系有何物理意义?

解答:力学量之间的对易关系,是量子力学中极为重要的关系。它相当于旧量子论中的量子化条件,具有深刻的物理含义。对易关系表明,经典因果性不是普遍成立的,并指出各类力学量能够同时确定的条件(相互对易),体现了量子力学的基本特点。与不确定原理一样,力学量之间的对易关系也是来源于物质的波粒二象性。从纯理论的角度说,它也可以作为量子力学的基本出发点。此外,对于有的力学量,对易关系反映了它的基本特征,如

γαβγβαεL i L L =],[,就可作为角动量的定义。

9、什么是力学量的完全集?它有何特征?

解答:设有一组彼此独立而又相互对易的力学量( ,,21F F ),它们的共同本征函数系为

),,(21 n n ??,如果给定一组量子数),,(21 n n 就可以确定体系的一个可能态,那么,就称

( ,,21F F )为体系的一个力学量完全集。它的特点是:(1)力学量完全集的共同本征函数系构成一个希尔伯特空间;(2)力学量完全集所包含力学量的数目等于量子数组

),,(21 n n 所包含的量子数数目,即体系的自由度数;(3)力学量完全集中所有力学量是可

以同时测量的。

10、何谓定态? 它有何特征?

解答:定态就是概率密度和概率流密度不随时间而变化的状态。若势场恒定0=??t

V

,则体系可以处于定态。

定态具有以下特征:

(1)定态波函数时空坐标可以分离, /)(),(iEt e r t r -=ψψ,其中)(r

ψ是哈密顿量H 的本征函数,而E 为相应的本征值;

(2)不显含时间t 的任何力学量,对于定态的平均值不随时间而变化,各种可能值出现的概率分布也不随时间而变化。

注意,通常用)(r

ψ表示定态只是一种简写,定态是含时态,任何描写粒子状态的波函数都是含时的。

11、(1)任意定态的叠加一定是定态。理由如下:

定态的线性叠加 ∑-=

n

t iE n

n n e x c t x /)(),(ψ

ψ

),(t x ψ态中平均值?∑==n

n n E c dx H E 2

*ψψ与t 无关,所以叠加态)

,(t x ψ是定态。

(2)体系的哈密顿量不显含时间时,波动方程的解都是定态解。以上说法正确吗? 解答:(1)能量不同的定态的叠加态∑-=

n

t iE n

n n e x c t x /)(),(ψ

ψ中,不具有确定的能量值,

尽管E 与t 无关,但位置概率密度∑-=

=m

n t E E i m n m n m n e x x c c t x t x W ,/)(**

2

)()(),(),(ψψ

ψ依赖

于时间t ,这表明任意定态的叠加不再具有定态的特征,是非定态。

(2)由于波动方程是线性的,体系中不同定态叠加而成的非定态

∑-=n

t iE n n n

e x c t x /)(),(ψψ仍是波动方程的解。因此,只能说定态解(H 不显含时间t )

是体系含时波动方程ψψ

H t

i =??

的解,但不能说该体系的含时波动方程的解都是定态解。由此可以看出,由于定态是能量的本征态,本征值方程ψψE H =中明显出现E ,体系中不同能量的本征态的线性叠加不可能再是原本征方程的解,而这种叠加态正是实际存在的最一般的可能态。

12、什么是束缚态?它有何特征?束缚态是否必为定态?定态是否必为束缚态?举例说明。 解答:当粒子被势场约束在特定的区域内运动,即在无限远处波函数等于零的态叫束缚态。 束缚态的能级是分立的。例如,一维谐振子就属于束缚定态,具有量子化的能级。但束

态不一定是定态,例如限制在一维盒子中的粒子,最一般的可能态是一系列分立的定态叠加

成的波包,这种叠加态是没有确定能量的非定态。虽然一般情况下定态多属束缚态,但定态

可能有非束缚态,例如在散射中,粒子并不局限于有限区域,但粒子处于能量本征态,这时

子处于非束缚态,或者说粒子处于散射定态(简称为散射态)。 13、不确定关系如何体现微观粒子的普遍本质——波粒二象性?

解答:对于微观粒子使用“波粒二象性”的术语,这本身既反映了经典物理概念的局限性,又反映了我们语言的局限性。我们可以认为,物质兼具粒子性和波动性,但确切地说,它们既不是经典波,也不是经典粒子,经典物理中粒子和波的概念只有经过修正才能被量子理论借用,不确定性关系就反映了这种修正,它给出了这两个概念能够被有效借用的限度,如

2

???p x 给出了用粒子图像描述物质的局限性。 14、如何用矩阵表示量子态与力学量,并说明理由。

解答: 矩阵表示一般用于本征值为分立谱的表象(相应希尔伯特空间的维数是可数的)。具体说,如果力学量A 的本征函数为n ??? ,,21,相应本征值为n A A A ,,21。任意态矢ψ可展开为

∑=n

n n a ψψ

态矢ψ在A 表象的表示为展开系数{}n a 组成的一列矩阵

????

??

?

??=n a a a 21ψ

其意义是:在ψ态中,力学量A 取值n A 的几率为2

n a ,与坐标表象波函数的意义相类似。

力学量用厄密矩阵表示

??

??

?

??

??=nn n n n n A A A A A A A A A A

2

1

22221

11211 ),(j i ij A A ??= 可见列矩阵与方阵维数与希尔伯特空间维数相同。 用矩阵表示力学量,理由如下:

(1)可以反映力学量作用一个量子态而得到另一个量子态的事实。设)()(x A x ψ?=,则

??????? ??n b b b

21???????

??=nn n n n n A A A A A A A A A

2

1

22221

11211

????

?

?? ??n a a a 21 简记为Aa b =; (2)矩阵乘法一般不满足交换律,这恰好能满足两个力学量一般不对易的要求; (3)厄密矩阵的性质能体现力学量算符的厄密性。

15、算符(力学量)在其自身表象中如何表示?其本征矢是什么?

解答:力学量本征值是分立谱时,它在其自身表象中的表示是对角化的,对角元素就是它的本征值

??

?

?

?

?

?

?

?=n A A A A 0000

0021

本征矢为单一元素列矩阵

??????? ??=0011 ? ????

??

?

??=0102 ? ………

16、设)(22x V p

H x

+=∧∧

μ

,分别在坐标和动量表象中写出∧∧∧H p x x ,,的矩阵元。 解答:(1)坐标表象基矢为)(x x -'δ )(||x x x x x x x x x ''-''>='''=<'''δ )(||x x x

i x p x p x x ''-''??

->='''=<'''δ

)()(2||2

22x x x V x m x H x H x x ''-'??

?

???'+'??->='''=<'

''δ (2)动量表象基矢为)(p p -'δ )(||p p p i p x p x p p ''-''

??

>='''=<'''δ

)(||p p p p p p p p p ''-''>='''=<'''δ )(2||2p p p i V m

p p H p H p p ''-'???

??????? ??'??+'>='''=<'

''δ 17、试将坐标表象与动量表象加以比较,再由坐标表象的定态薛定谔方程直接写出其在动量

表象的表达式。

解答:坐标表象与动量表象是一对共轭表象,表示形式十分类似 x 表象 x p 表象 ∧

x : x x

p i ??

x p ∧: x

i ??

-

x p ∧

x 本征态: )(x x '-δ

/21

x ip x e -π x p ∧

本征态:

/21

x ip x e π )(x x p p '-δ 一般波函数ψ在∧

x 表象的表示),(t x ψ与在x p ∧

表象的表示),(t p x ?之间的关系为

?

?-==

dx

e t x t p dp e t p t x x ip x x x ip x x x

//),(21),(),(21),(ψπ??πψ

可见,只要令有关表达式中x p x i i ?-→,,便可由一个表象转到另一个表象;两个表

象波函数在傅立叶变换中互为镜像。 定态S-eq 在动量表象的表示

)()(22p E p p i V m

p ??=???

????

??? ????+ 18、已知一维谐振子在坐标表象的能量本征函数)(x n ψ,不用计算,直接写出其在动量表象

的能量本征函数)(p n ψ。 解答:一维谐振子的哈密顿量为 [][]

2222222)(2

1

)(21x p m x p m H +=+= βωα 其中

/ωαm = ωβm /1= 可见,H 对于x 和p 是对称的,

差别在于α和β不同,因而,),(p n β?和),(x αψ的形式应当完全一样。 已知 )(),(2

/2

2x H e N x n x n n ααψα-= 2/1]!2/[παn N n n = 故有

)(),(2

/22p H e

N p n p n n ββ?β-= 2/1]!2/[πβn N n n =

19、写出能量表象的薛定谔方程表达式。 解答:薛定谔方程在Q 表象的表示为

????

??

?

??=??????? ???? )()()()()(2121t a t a H t a t a t

i 对于能量表象

??

??

?

?

?

?

?= 000000000

000)(21E E H 所以能量表象的薛定谔方程表达式为 )()

(t a E dt

t da i n n n

= 20、狄拉克符号中,引入了右矢

>,为什么又引入左矢<,右矢和左矢能够相加吗?

解答:在量子力学中,态空间是具有内积的矢量空间,类似于希尔伯特空间波函数?和ψ的

内积

?=τψ?ψ?d *),(,>?|和>ψ|的内积记为><ψ?|,|?<是对应于>?|的左矢,属于

伴随空间的

一个矢量。由于左矢和右矢是分属于不同空间的矢量,它们不能相加。 21、(1)∧+

++

∧=<>A B B A |)|(ψψ (2)>>=ψλλψ|| (3)如>ψ是∧

F 的本征矢,则||ψψ<'=<∧

F F (4)算符||n n P n ><=的物理意义是什么?公式

∑=

n n 1|.|成立的条件是什么?

算符||n n P n ><=的物理意义在于,它作用于任何态矢上得到该态矢在基矢>n |方向

的投影

矢量,>>=><>=n A A n n A P n n ||||;且n n P n n n n n n P =><=><><=|||||2

,故

||n n P n ><=称

为投影算符,>=

n n 1|.|成立的条件是基矢集{}

>n |组成正

交、归一、完备系,任意态矢均可按

{}

>n |唯一展开

><>>=>=∑∑A n n n A A n

n n

||||,由于

>A |为任意态矢,故得到∑∑=><=n

n

n n n P 1||,此式可作为完全集的定义式,称为

封闭性

关系。

22、简述定态微扰论的基本思想。

解答:量子力学体系的哈密顿算符∧

H 不是时间的显函数时,通过求解定态薛定谔方程,

讨论定态波函数。除少数特例外,定态薛定谔方程一般很难严格求解。求解定态薛定谔方程

ψψE H =∧时,若可以把不显函时间的∧H 分为大、小两部分∧

'+=H H

H )

0(

||||)

0(∧

'>>H H

,其中 )

0()0()0()

0(n n n

E H

ψ

ψ

=∧,即

∧)

0(H

的本征值)0(n E 和本征函数)

0(n ψ是可

以精确求解的,或已有确定的结果。

满足上述条件的基础上,常引入一个很小参数λ(10<<λ),将微扰写成 ∧

'H λ,以逐步近似的精神求解薛定谔方程。将能级和波函数以λ的幂级数展开

???+++=+++=

)

2(2)1()0()

2(2)1()0(n n n n n n n n E E E E ψλλψψψλλ

)0(n E 与)

0(n ψ

称为零级近似能量和零级近似波函数,是未受微扰时

∧)

0(H

的本征能量和本征函

数,也是我们求解微扰问题的必备基本条件,后面各项按λ的幂次称为一级修正、二级修正、…。

23、非简并定态微扰论的适用条件是什么?

解答:非简并定态微扰论的适用条件为||||)

0()0(m n m n E E H -<<',一是要求微扰本身应很小,二是要求能级间隔||)

0()0(m n E E -较大。

24、证明:非简并定态微扰中,基态能量的二级修正永为负值。 解答:能量的二级修正)

0()0(2)

2(||m

n nm m

n

E E H E

-''=∑

,若)

0(n E 为基态能量,当然其数值为最小,因而在求和中n m ≠的任一项0)0()0(<-m n E E ,故)

2(n

E 永为负值。 25、简并态微扰与非简并态微扰的主要区别是什么?什么条件下,简并能级情况可用非简并

态微扰处理?

解答:简并态微扰与非简并态微扰的主要区别是零级近似能量给定后,对应的零级近似波函

一般说来是不能完全确定的。对于f 度简并能级,)0(k E 如选择的f 个独立的)

0(αψk 已使H '对

角化,

即αβαββαδψψH H k k '>='<)

0()0(||,此时αααH E k '=)1(,对应的零级近似波函数为)

0(αψk ,虽然能

级)

0(k E 是

简并的,仍可用非简并定态微扰论处理一级近似问题。

26、若总哈密顿量∧

H 在0∧H 表象中为非对角矩阵,物理上意味着什么?若∧H 在0∧

H 表象中

为对角矩阵,又意味着什么?

解答:∧

H 在0∧H 表象不是对角矩阵,表示二者不对易,显然∧'H 和0∧

H 亦不对易,无共同本

征态,

这时需要另求∧

H 的本征态。若∧

H 在0∧H 表象中为对角矩阵,说明二者对易,这时∧'H 和0

H 亦对易,

即0∧

H 的本征态是它们的共同本征态,使求解大为简化。

27、量子跃迁问题与定态微扰在研究目标和处理方法上有何不同?

解答:定态微扰和量子跃迁是量子力学中两个不同类型的问题,在研究目标和处理方法上都不一样。定态微扰处理定态问题,考虑加入微扰后如何求出体系总哈密顿量的本征值和本征函数的修正项,其出发点是定态薛定谔方程。量子跃迁是考虑体系在微扰作用下,波函数随时间的变化问题,是依据含时薛定谔方程),()

,(t x H t

t x i ψψ=??

具体计算量子态之间的跃迁几率问题。一般说来,这两类问题都需要运用近似方法求解。 28、自旋可在坐标空间中表示吗?它与轨道角动量性质上有何差异? 解答:(1)自旋是内禀角动量,它不能在坐标空间中表示出来。

(2)轨道角动量是微观粒子的外部空间角动量,它可在坐标表象中表示出来,量子数为整数,本征态为球谐函数;自旋是内禀角动量,量子数为整数或半奇整数,自旋函数需用多分量波函数表示。此外,二者的旋磁比不同。

29、电子z S 的本征态常被写为???? ??=01α,???

?

??=10β;它们的含义是什么?

解答:z S 的本征态是自旋波函数????

??=b a χ的特例。由于在z S 的本征态中,本征值仅有2

±与量子数21

±

=s m 对应,分别记为???? ??==01)(21αχz s ,???? ??==-10)(2

1βχz s ;βα,是电子的两个线性独立的自旋态,组成一组正交完备基矢,以此为基矢的表象为z S 表象。任一自旋态???

?

??=b a χ在z S 表象中可展开为βαχb a +=。

30、对于自旋为1/2的粒子,是否存在态????

??=b a χ,在其中0===z y x S S S ?

解答:首先令在????

??=b a χ态中,()010012

2

**=-=???

?

?????? ??-==+

b a b a b a z z χσχ

设δi e b a 21,21==

,得???

?

??=δχi e 121; 再由0cos 0=?=δσx

0s i n 0=?=δσy 由于δ无法同时满足0sin cos ==δδ,

所以,对于自旋为1/2的粒子,使0===z y x S S S 态是不存在的。

31、微观粒子的全同性原理表述为:“全同粒子体系中,体系的物理状态不因交换任意两个

粒子而改变”。问:

(1)“物理状态”是指宏观态还是微观态?

(2)“交换任意两个粒子”的准确含义是什么?

(3)它与全同粒子的不可区分性有什么联系?

解答:

(1)物理状态不变是指体系的微观态和宏观态都不因全同粒子间的交换而改变,全同性原理中强调的是微观态(量子态)的不变;

(2)交换任意两个粒子是指在描述全同粒子体系状态的波函数中交换两个粒子的包括自旋在内的全部坐标;

(3)实质相同。所以,全同性原理往往也被称为不可区分(分辨)原理。

1 何谓定态? 它有何特征?

定态就是概率密度和概率流密度不随时间而变化的状态。若势场恒定(即不含时),则体系可以处于定态。

定态具有以下特征:

(1)定态波函数时空坐标可以分离,,其中是哈密顿量的本征函数,而为相应的本征值;

(2)不显含时间的任何力学量,对于定态的平均值不随时间而变化,各种可能值出现的概率分布也不随时间而变化。

注意,通常用表示定态只是一种简写,定态是含时态,任何描写粒子状态的波函数都是含时的。

2、什么是束缚态?它有何特征?束缚态是否必为定态?定态是否必为束缚态?举例说明。束缚态:当粒子被势场约束在特定的区域内运动,即在无限远处波函数等于零的态叫束缚态。束缚态的能级是分立的。例如,一维谐振子就属于束缚定态,具有量子化的能级。但束缚态不一定是定态,例如限制在一维盒子中的粒子,最一般的可能态是一系列分立的定态叠加而成的波包,这种叠加态是没有确定能量的非定态。虽然一般情况下定态多属束缚态,但定态也可能有非束缚态,例如在散射中,粒子并不局限于有限区域,但粒子处于能量本征态,这时粒子处于非束缚态,或者说粒子处于散射定态(简称为散射态)。

3、(1)任意定态的叠加一定是定态。理由如下:

定态的线性叠加

态中平均值与无关,所以叠加态是定态。

(2)体系的哈密顿量不显含时间时,波动方程的解都是定态解。以上说法正确吗?

解答:(1)能量不同的定态的叠加态中,不具有确定的能量值,尽管与无关,但位置概率密度依赖于时间,这表明任意定态的叠加不再具有定态的特征,是非定态。

(2)由于波动方程是线性的,体系中不同定态叠加而成的非定态仍是波动方程的解。因此,只能说定态解(不显含时间)是体系含时波动方程的解,但不能说该体系的含时波动方程的解都是定态解。由此可以看出,由于定态是能量的本征态,本征值方程中明显出现,体系中不同能量的本征态的线性叠加不可能再是原本征方程的解,而这种叠加态正是实际存在的最一般的可能态。

量子力学思考题及解答

1、以下说法是否正确: (1)量子力学适用于微观体系,而经典力学适用于宏观体系; (2)量子力学适用于η不能忽略的体系,而经典力学适用于η可以忽略的体系。 解答:(1)量子力学是比经典力学更为普遍的理论体系,它可以包容整个经典力学体系。 (2)对于宏观体系或η可以忽略的体系,并非量子力学不能适用,而是量子力学实际上已 经过渡到经典力学,二者相吻合了。 2、微观粒子的状态用波函数完全描述,这里“完全”的含义是什么? 解答:按着波函数的统计解释,波函数统计性的描述了体系的量子态。如已知单粒子(不考虑自旋)波函数)(r ? ψ,则不仅可以确定粒子的位置概率分布,而且如粒子的动量、能量等其他力学量的概率分布也均可通过)(r ? ψ而完全确定。由于量子理论和经典理论不同,它一般只能预言测量的统计结果,而只要已知体系的波函数,便可由它获得该体系的一切可能物理信息。从这个意义上说,有关体系的全部信息显然已包含在波函数中,所以说微观粒子的状态用波函数完全描述,并把波函数称为态函数。 3、以微观粒子的双缝干涉实验为例,说明态的叠加原理。 解答:设1ψ和2ψ是分别打开左边和右边狭缝时的波函数,当两个缝同时打开时,实验说明到达屏上粒子的波函数由1ψ和2ψ的线性叠加2211ψψψc c +=来表示,可见态的叠加不是概率相加,而是波函数的叠加,屏上粒子位置的概率分布由222112 ψψψ c c +=确定,2 ψ中 出现有1ψ和2ψ的干涉项]Re[2* 21* 21ψψc c ,1c 和2c 的模对相对相位对概率分布具有重要作用。 4、量子态的叠加原理常被表述为:“如果1ψ和2ψ是体系的可能态,则它们的线性叠加 2211ψψψc c +=也是体系的一个可能态”。 (1)是否可能出现)()()()(),(2211x t c x t c t x ψψψ+=; (2)对其中的1c 与2c 是任意与r ? 无关的复数,但可能是时间t 的函数。这种理解正确吗? 解答:(1)可能,这时)(1t c 与)(2t c 按薛定谔方程的要求随时间变化。

曾量子力学题库(网用).

曾谨言量子力学题库 一简述题: 1. (1)试述Wien 公式、Rayleigh-Jeans 公式和Planck 公式在解释黑体辐射能量密度随频率分布的问题上的差别 2. (1)试给出原子的特征长度的数量级(以m 为单位)及可见光的波长范围(以?为单位) 3. (1)试用Einstein 光量子假说解释光电效应 4. (1)试简述Bohr 的量子理论 5. (1)简述波尔-索末菲的量子化条件 6. (1)试述de Broglie 物质波假设 7. (2)写出态的叠加原理 8. (2)一个体系的状态可以用不同的几率分布函数来表示吗?试举例说明。 9. (2)按照波函数的统计解释,试给出波函数应满足的条件 10.(2)已知粒子波函数在球坐标中为),,(?θψr ,写出粒子在球壳),(dr r r +中被测到的几率以及在),(?θ方向的立体角元?θθΩd d d sin =中找到粒子的几率。 11.(2)什么是定态?它有哪些特征? 12.(2))()(x x δψ=是否定态?为什么? 13.(2)设ikr e r 1=ψ,试写成其几率密度和几率流密度 14.(2)试解释为何微观粒子的状态可以用归一化的波函数完全描述。 15.(3)简述和解释隧道效应 16.(3)说明一维方势阱体系中束缚态与共振态之间的联系与区别。 17.(4)试述量子力学中力学量与力学量算符之间的关系 18.(4)简述力学量算符的性质 19.(4)试述力学量完全集的概念 20.(4)试讨论:若两个厄米算符对易,是否在所有态下它们都同时具有确定值? 21.(4)若算符A ?、B ?均与算符C ?对易,即0]?,?[]?,?[==C B C A ,A ?、B ?、C ?是否可同时取得确定值?为什么?并举例说明。 22.(4)对于力学量A 与B ,写出二者在任何量子态下的涨落所满足的关系,并说明物理意义。 23.(4)微观粒子x 方向的动量x p ?和x 方向的角动量x L ?是否为可同时有确定值的力学量?为什么? 24.(4)试写出态和力学量的表象变换的表达式 25.(4)简述幺正变换的性质 26.(4)在坐标表象中,给出坐标算符和动量算符的矩阵表示 27.(4)粒子处在222 1)(x x V μω=的一维谐振子势场中,试写出其坐标表象和动量表象的定态Schr ?dinger 方程。 28.(4)使用狄拉克符号导出不含时间的薛定谔方程在动量表象中的形式。 29.(4)如果C B A ?,?,?均为厄米算符,下列算符是否也为厄米算符?

量子力学教程课后习题答案

量子力学习题及解答 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 e c hv d kT hv v v 1 1 833 -? =πρ, (1) 以及 c v =λ, (2) λρρd dv v v -=, (3) 有 ,1 18)()(5-?=?=?? ? ??-=-=kT hc v v e hc c d c d d dv λλλ πλλρλλ λρλρ ρ 这里的λρ的物理意义是黑体波长介于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: 011511 86 ' =???? ? ?? -?+--?= -kT hc kT hc e kT hc e hc λλλλλ πρ

? 0115=-?+ -- kT hc e kT hc λλ ? kT hc e kT hc λλ= -- )1(5 如果令x= kT hc λ ,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 xk hc 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=h v , λ h 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 e p 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 p h = λ

量子力学习题集及解答

量子力学习题集及解答

目录 第一章量子理论基础 (1) 第二章波函数和薛定谔方程 (5) 第三章力学量的算符表示 (28) 第四章表象理论 (48) 第五章近似方法 (60) 第六章碰撞理论 (94) 第七章自旋和角动量 (102) 第八章多体问题 (116) 第九章相对论波动方程 (128)

第一章 量子理论基础 1.设一电子为电势差V 所加速,最后打在靶上,若电子的动能转化为一个光子,求当这光子相应的光波波长分别为5000 A (可见光),1 A (x 射线)以及0.001 A (γ射线)时,加速电子所需的电势差是多少? [解] 电子在电势差V 加速下,得到的能量是eV m =22 1 υ这个能量全部转化为一个光子的能量,即 λ νυhc h eV m ===221 ) (1024.1106.11031063.64 19834 A e hc V λλλ?=?????==∴--(伏) 当 A 50001=λ时, 48.21=V (伏) A 12=λ时 421024.1?=V (伏) A 001.03=λ时 731024.1?=V (伏) 2.利用普朗克的能量分布函数证明辐射的总能量和绝对温度的四次方成正比,并求比例系数。 [解] 普朗克公式为 1 8/33-?=kT hv v e dv c hv d πνρ 单位体积辐射的总能量为 ? ?∞∞-==0 0/331 3T hv v e dv v c h dv U κπρ 令kT hv y = ,则 4 40333418T T e dy y c h k U y σπ=? ??? ??-=?∞ (★) 其中 ?∞-=033341 8y e dy y c h k πσ (★★) (★)式表明,辐射的总能量U 和绝对温度T 的四次方成正比。这个公式就是斯忒蕃——玻耳兹曼公式。其中σ是比例常数,可求出如下: 因为 )1()1(1 121 +++=-=-------y y y y y y e e e e e e

量子力学习题答案

量子力学习题答案 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:由德布罗意波粒二象性的关系知: E h =ν; p h /=λ 由于所考虑的电子是非相对论的电子(26k e E (3eV)c (0.5110)-μ?) ,故: 2e E P /(2)=μ 69h /p h /hc /1.2410/0.7110m 0.71nm --λ====?=?= 1.3氦原子的动能是E=1.5kT ,求T=1K 时,氦原子的德布罗意波长。 解:对于氦原子而言,当K 1=T 时,其能量为 J 102.07K 1K J 10381.12 3 2323123---?=????== kT E 于是有 一维谐振子处于22 /2 ()x x Ae αψ-=状态中,其中α为实常数,求: 1.归一化系数; 2.动能平均值。 (22 x e dx /∞-α-∞ = α?) 解:1.由归一化条件可知:

22 *2x (x)(x)dx A e dx1 A/1 ∞∞ -α -∞-∞ ψψ== =α= ?? 取相因子为零,则归一化系数1/21/4 A/ =απ 2. 2222 2222 2222 2222 22 2 *2x/2x/2 22 2x/2x/2 2 2x/22x/2 22 22x2x/2 22 242x2 T(x)T(x)dx A e(P/2)e dx d A e()e dx 2dx d A e(xe)dx 2dx A{xe(xe)dx} 2 A x e dx A 22 ∞∞ -α-α -∞-∞ ∞ -α-α -∞ ∞ -α-α -∞ ∞∞ -α-α -∞ -∞ ∞ -α -∞ =ψψ=μ =- μ =--α μ =--α--α μ =α= μμ ?? ? ? ? ? =()== 22 2222 4x 2 2 24x x 2 22 222 24 2 1 ()xd(e) 2 1 A(){xe e dx} 22 1A A() 24 2 ∞ -α -∞ ∞∞ -α-α -∞ -∞ α- α =α--- μα ππαα α-- μμ α ? ? 若α,则该态为谐振子的基态,T 4 ω = 解法二:对于求力学量在某一体系能量本征态下的平均值问题,用F-H定理是非常方便的。 一维谐振子的哈密顿量为: 22 22 d 1 H x 2dx2 =-+μω μ 它的基态能量 1 E 2 =ω选择为参量,则:

量子力学导论习题答案(曾谨言)

第五章 力学量随时间的变化与对称性 5.1)设力学量A 不显含t ,H 为本体系的Hamilton 量,证明 [][]H H A A dt d ,,2 2 2 =- 证.若力学量A 不显含t ,则有[]H A i dt dA ,1 =, 令[]C H A =, 则 [][]H C H C i dt C d i dt A d ,1 ,112 22 -===, [][]H H A A dt d ,, 2 2 2 =-∴ 5.2)设力学量A 不显含t ,证明束缚定态,0=dt dA 证:束缚定态为::() () t iE n n n e t -=ψψ,。 在束缚定态()t n ,ψ,有()()()t E t t i t H n n n n ,,,ψψψ=?? = 。 其复共轭为()()()t r E e r t i t r H n n t iE n n n ,,** * * ψψψ=?? -= 。 ??? ??=n n dt dA dt dA ψψ,()??? ??-??? ??-=??n n n n n n A A A dt d ψψψψψψ,,, ?? ? ??-??? ??-= n n n n H i A A H i dt dA ψψψψ 1,,1 []()()n n n n AH i HA i H A i t A ψψψψ,1 ,1,1 -++??= []()()n n HA AH i H A i ψψ--= ,1,1 [][]() 0,,1=-=A H H A i 。 5.3)(){} x x iaP x a a D -=? ?? ??? ??-=exp exp 表示沿x 方向平移距离a 算符.证明下列形式波函数(Bloch 波函数)()()x e x k ikx φψ=,()()x a x k k φφ=+ 是()a D x 的本征态,相应的本征值为ika e - 证:()()()() ()a x e a x x a D k a x ik x +=+=+φψψ ()()x e x e e ika k ikx ika ψφ=?=,证毕。

量子力学习题集及答案

09光信息量子力学习题集 一、填空题 1. 设电子能量为4电子伏,其德布罗意波长为( 6.125ο A )。 2. 索末菲的量子化条件为=nh pdq ),应用这量子化条件求得一维谐振 子的能级=n E ( ηωn )。 3. 德布罗意假说的正确性,在1927年为戴维孙和革末所做的( 电 )子衍 射实验所证实,德布罗意关系(公式)为( ηω=E )和( k p ρηρ = )。 4. 三维空间自由粒子的归一化波函数为()r p ρ ρψ=( r p i e ρ ρη η?2 /3) 2(1π ), () ()=? +∞ ∞ -*'τψψd r r p p ρρρρ( )(p p ρ ρ-'δ )。 5. 动量算符的归一化本征态=)(r p ρ ρψ( r p i e ρ ρηη?2/3)2(1π ),=' ∞ ?τψψd r r p p )()(*ρρρρ( )(p p ρ ρ-'δ )。 6. t=0时体系的状态为()()()x x x 2020,ψψψ+=,其中()x n ψ为一维线性谐振子的定态波函数,则()=t x ,ψ( t i t i e x e x ωωψψ2 522 0)(2)(--+ )。 7. 按照量子力学理论,微观粒子的几率密度w =2 ),几率流密度= ( () ** 2ψ?ψ-ψ?ψμ ηi )。 8. 设)(r ρψ描写粒子的状态,2)(r ρψ是( 粒子的几率密度 ),在)(r ρψ中F ?的平均值为F =( ??dx dx F ψψψψ* *? ) 。 9. 波函数ψ和ψc 是描写( 同一 )状态,δψi e 中的δi e 称为( 相因子 ), δi e 不影响波函数ψ1=δi )。 10. 定态是指( 能量具有确定值 )的状态,束缚态是指(无穷远处波函数为 零)的状态。 11. )i exp()()i exp()(),(2211t E x t E x t x η η-+-=ψψψ是定态的条件是 ( 21E E = ),这时几率密度和( 几率密度 )都与时间无关。 12. ( 粒子在能量小于势垒高度时仍能贯穿势垒的现象 )称为隧道效应。 13. ( 无穷远处波函数为零 )的状态称为束缚态,其能量一般为( 分立 )谱。 14. 3.t=0时体系的状态为()()()x x x 300,ψψψ+=,其中()x n ψ为一维线性谐振子的定态波函数,则()=t x ,ψ( t i t i e x e x ωωψψ2 732 0)()(--+ )。 15. 粒子处在a x ≤≤0的一维无限深势阱中,第一激发态的能量为

周世勋量子力学习题及解答

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 e c hv d kT hv v v 1 1 833 -? =πρ, (1) 以及 c v =λ, (2) λρρd dv v v -=, (3) 有 ,1 18)() (5-?=?=?? ? ??-=-=kT hc v v e hc c d c d d dv λλλ πλλρλλλρλρ ρ 011511 86 '=???? ? ?? -?+--?= -kT hc kT hc e kT hc e hc λλλλλπρ ? 0115=-?+ -- kT hc e kT hc λλ ? kT hc e kT hc λλ= -- )1(5 如果令x= kT hc λ ,则上述方程为 x e x =--)1(5:x=0,取:x=4.97, xk hc 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

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 , λ h P = e p E μ22 = E=pc p h =λ nm m m E c hc E h e e 71.01071.031051.021024.12296 6 2=?=????= ==--μμ 在这里,利用了 m eV hc ??=-61024.1 以及 eV c e 621051.0?=μ 最后,对 E c hc e 2 2μλ=

曾量子力学题库网用

曾谨言量子力学题库 一简述题: 1. (1)试述Wien 公式、Rayleigh-Jeans 公式和Planck 公式在解释黑体辐射能量密度随频率分布的问 题上的差别 2. (1)试给出原子的特征长度的数量级(以m 为单位)及可见光的波长范围(以?为单位) 3. (1)试用Einstein 光量子假说解释光电效应 4. (1)试简述Bohr 的量子理论 5. (1)简述波尔-索末菲的量子化条件 6. (1)试述de Broglie 物质波假设 7. (2)写出态的叠加原理 8. (2)一个体系的状态可以用不同的几率分布函数来表示吗?试举例说明。 9. (2)按照波函数的统计解释,试给出波函数应满足的条件 10.(2)已知粒子波函数在球坐标中为),,(?θψr ,写出粒子在球壳),(dr r r +中被测到的几率以及在 ),(?θ方向的立体角元?θθΩd d d sin =中找到粒子的几率。 11.(2)什么是定态?它有哪些特征? 12.(2))()(x x δψ=是否定态?为什么? 13.(2)设ikr e r 1= ψ,试写成其几率密度和几率流密度 14.(2)试解释为何微观粒子的状态可以用归一化的波函数完全描述。 15.(3)简述和解释隧道效应 16.(3)说明一维方势阱体系中束缚态与共振态之间的联系与区别。 17.(4)试述量子力学中力学量与力学量算符之间的关系 18.(4)简述力学量算符的性质 19.(4)试述力学量完全集的概念 20.(4)试讨论:若两个厄米算符对易,是否在所有态下它们都同时具有确定值? 21.(4)若算符A ?、B ?均与算符C ?对易,即0]?,?[]?,?[==C B C A ,A ?、B ?、C ?是否可同时取得确定值?为什么?并举例说明。 22.(4)对于力学量A 与B ,写出二者在任何量子态下的涨落所满足的关系,并说明物理意义。 23.(4)微观粒子x 方向的动量x p ?和x 方向的角动量x L ?是否为可同时有确定值的力学量?为什么? 24.(4)试写出态和力学量的表象变换的表达式 25.(4)简述幺正变换的性质 26.(4)在坐标表象中,给出坐标算符和动量算符的矩阵表示 27.(4)粒子处在222 1 )(x x V μω= 的一维谐振子势场中,试写出其坐标表象和动量表象的定态Schr ?dinger 方程。 28.(4)使用狄拉克符号导出不含时间的薛定谔方程在动量表象中的形式。 29.(4)如果C B A ?,?,?均为厄米算符,下列算符是否也为厄米算符?

最新量子力学导论习题答案(曾谨言)(1)

第九章 力学量本征值问题的代数解法 9—1) 在8.2节式(21)中给出了自旋(2 1)与轨迹角动量(l )耦合成总角动量j 的波函数j ljm φ,这相当于2 1,21===s j l j 的耦合。试由8.2节中式(21)写出表9.1(a )中的CG 系数 jm m m j 21121 解:8.2节式(21a )(21b ): ()21),0( 21+=≠-=m m l l j j j ljm φ???? ??-+++=+11121 lm lm Y m l Y m l l () ????? ??-++---+=+=21,2121,212121,21j j m j j m j j Y m j Y m j j m j m l j (21a ) ()21-= j l j ljm φ???? ??++---=+11121 lm lm Y m l Y m l l () ????? ??+++--+++-++=≠-=21,2121,211122121),0( 21j j m j j m j j Y m j Y m j j m j m l l j (21b ) ()21++j l 此二式中的l 相当于CG 系数中的1j ,而2 12==s j ,21,~,,~21±=m m m m j 。 因此,(21a )式可重写为 jm ∑=222112 211m jm m j m j m j m j 2 12121212121212111111111--+=m j jm m j m j jm m j ??????? ? ??-???? ??++-???? ??++++=+=212112212121122111211111211121121),21(m j j m j m j j m j j l j a (21a ’) 对照CG 系数表,可知:当21121+=+=j j j j ,212=m 时 , 21111112212121??? ? ??++=+j m j jm m j 而2 12-=m 时,

量子力学习题答案

量子力学习题答案

2.1 如图所示 左右 0 x 设粒子的能量为,下面就和两种情况来讨论 (一)的情形 此时,粒子的波函数所满足的定态薛定谔方程为 其中 其解分别为 (1)粒子从左向右运动 右边只有透射波无反射波,所以为零 由波函数的连续性 得 得 解得 由概率流密度公式 入射 反射系数 透射系数 (2)粒子从右向左运动 左边只有透射波无反射波,所以为零 同理可得两个方程 解 反射系数 透射系数 (二)的情形 令,不变 此时,粒子的波函数所满足的定态薛定谔方程为 其解分别为

由在右边波函数的有界性得为零 (1)粒子从左向右运动 得 得 解得 入射 反射系数 透射系数 (2)粒子从右向左运动 左边只有透射波无反射波,所以为零 同理可得方程 由于全部透射过去,所以 反射系数 透射系数 2.2 如图所示 E 0 x 在有隧穿效应,粒子穿过垒厚为的方势垒的透射系数为 总透射系数 2.3 以势阱底为零势能参考点,如图所示 (1) ∞∞ 左中右 0 a x 显然 时只有中间有值 在中间区域所满足的定态薛定谔方程为 其解是 由波函数连续性条件得

∴ ∴ 相应的 因为正负号不影响其幅度特性可直接写成由波函数归一化条件得 所以波函数 (2) ∞∞ 左 中右 0 x 显然 时只有中间有值 在中间区域所满足的定态薛定谔方程为 其解是 由波函数连续性条件得 当,为任意整数, 则 当,为任意整数, 则 综合得 ∴ 当时,, 波函数 归一化后 当时,, 波函数 归一化后 2.4 如图所示∞ 左右 0 a 显然 在中间和右边粒子的波函数所满足的定态薛定谔方程为 其中

量子力学教程课后习题答案高等教育

量子力学习题及解答 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 e c hv d kT hv v v 1 1 833 -? =πρ, (1) 以及 c v =λ, (2) λρρd dv v v -=, (3) 有 ,1 18)() (5-?=?=?? ? ??-=-=kT hc v v e hc c d c d d dv λλλ πλλρλλλρλρ ρ 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: 011511 86 ' =???? ? ?? -?+--?= -kT hc kT hc e kT hc e hc λλλλλ πρ

? 0115=-?+ --kT hc e kT hc λλ ? kT hc e kT hc λλ= -- )1(5 如果令x= kT hc λ ,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 xk hc 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 e p 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 p h = λ

量子力学习题答案

量子力学习题答案 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:由德布罗意波粒二象性的关系知: E h =ν; p h /=λ 由于所考虑的电子是非相对论的电子(26k e E (3eV)c (0.5110)-μ? ),故: 2e E P /(2)=μ 69 h /p h / hc / 1.2410/0.7110 m 0.71nm --λ====?=?=1.3氦原子的动能是E=1.5kT ,求T=1K 时,氦原子的德布罗意波长。 解:对于氦原子而言,当K 1=T 时,其能量为 J 10 2.07K 1K J 10 381.12 32 323 1 23 ---?=????= = kT E 于是有 一维谐振子处于2 2 /2 ()x x Ae α ψ-=状态中,其中α为实常数,求: 1.归一化系数; 2.动能平均值。 (22 x e dx /∞-α-∞ = α?) 解:1.由归一化条件可知: 22 * 2x 2 (x)(x)dx A e dx 1 A /1 ∞∞-α-∞ -∞ ψψ===α=? ? 取相因子为零,则归一化系数1/21/4A /=απ 2.

2222 2 2 22 2 2 22 22 22 22 2 * 2x /2 x /22 2 2 x /2 x /2 2 2 x /2 2x /2 2 222x 2x /2 2 2 24 2x 2T (x)T (x)dx A e (P /2)e dx d A e ()e dx 2dx d A e (xe )dx 2dx A {xe (xe )dx} 2A x e dx A 22∞∞-α-α-∞-∞ ∞-α-α-∞∞-α-α-∞ ∞ ∞-α-α-∞ -∞ ∞-α-∞ = ψψ=μ=- μ =- -αμ=- -α- -αμ = α = μμ ? ?? ? ? ? =(= = 22 2 2 2 2 4 x 22 24 x x 2 2 22 24 21()xd(e ) 21A (){xe e dx}221A ()2442∞-α-∞ ∞ ∞-α-α-∞ -∞ α- α =α- -- μααα- - μ α μ μ α ? ? 若αT 4 ω= 解法二:对于求力学量在某一体系能量本征态下的平均值问题,用F-H 定理是 非常方便的。 一维谐振子的哈密顿量为: 2 2 22 d 1H x 2dx 2 =- + μωμ 它的基态能量01E 2 = ω 选择 为参量,则: 0dE 1d 2 = ω ; 2 2 2 d H d 2d 2()T d dx 2dx =- = - = μμ d H 20 0T d = 由F-H 定理知: 0dE d H 210 T d d 2= ==ω 可得: 1T 4 = ω

量子力学 第四版 卷一 习题答案

第一章 量子力学的诞生 1、1设质量为m 的粒子在谐振子势222 1 )(x m x V ω=中运动,用量子化条件求粒子能量E 的可能取值。 提示:利用 )]([2,,2,1, x V E m p n nh x d p -===?? Λ )(x V 解:能量为E 的粒子在谐振子势中的活动范围为 a x ≤ (1) 其中a 由下式决定:222 1 )(a m x V E a x ω===。 a - 0 a x 由此得 2/2ωm E a = , (2) a x ±=即为粒子运动的转折点。有量子化条件 h n a m a m dx x a m dx x m E m dx p a a a a ==?=-=-=??? ?+-+-222222222)21(22πωπ ωωω 得ω ωπm n m nh a η22 = = (3) 代入(2),解出 Λη,3,2,1, ==n n E n ω (4) 积分公式: c a u a u a u du u a ++-=-? arcsin 2222 22 2 1、2设粒子限制在长、宽、高分别为c b a ,,的箱内运动,试用量子化条件求粒子能量的可能取值。 解:除了与箱壁碰撞外,粒子在箱内作自由运动。假设粒子与箱壁碰撞不引起内部激发,则碰撞为弹性碰撞。动量大小不改变,仅方向反向。选箱的长、宽、高三个方向为z y x ,,轴方向,把粒子沿z y x ,,轴三个方向的运动分开处理。利用量子化条件,对于x 方向,有 ()?==?Λ,3,2,1, x x x n h n dx p 即 h n a p x x =?2 (a 2:一来一回为一个周期) a h n p x x 2/=∴, 同理可得, b h n p y y 2/=, c h n p z z 2/=, Λ,3,2,1,,=z y x n n n 粒子能量

周世勋量子力学习题及解答

量子力学习题及解答 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 e c hv d kT hv v v 1 1 833 -? =πρ, (1) 以及 c v =λ, (2) λρρd dv v v -=, (3) 有 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: 如果令x= kT hc λ ,则上述方程为 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=,经过验证,此解正是所要求的,这样则有 把x 以及三个物理常量代入到上式便知 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 , 如果所考虑的粒子是非相对论性的电子(2c E e μ<<动),那么 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 6 1051.0?, 因此利用非相对论性的电子的能量——动量关系式,这样,便有 在这里,利用了 以及 最后,对

陕西师范大学量子力学题库

1. 十九世纪末期,物理学理论在当时看来已经发展到相当完善的阶段,形成了三门经典学科。这三门经典学科分别是______,______,______. 2. 按经典的物质概念,物质可以分为两类,一类是____,另一类是______. 3. 二十世纪初,经典物理学遇到了无法克服的困难。这些困难分别是____,_____,______及_________. 4. 经典物理中,对实物的运动采用_____来描述,实物的运动遵守______。 5. 经典物理中,对辐射场的运动采用_____来描述,辐射场的变化遵守______。 6. 在经典概念下,实物的基本特性是_______和________. 7. 在经典概念下,辐射场的基本特性是_______和_______. 8. 在经典概念,粒子性是指_____和______. 9. 在经典概念,波动性是指_____和______. 10. 在经典概念,波动性和粒子性___(填是否可以)统一于同一物质客体. 11. 光的波动性的理论基础是________. 12. 光的波动性的实验证据是________. 13. 光的粒子性的实验证据是______,______,______. 14. 光的粒子性的理论依据是______,______. 15. 微粒的粒子性是指微观粒子的______,即_______以及______. 16. 微粒的波动性是指__________. 17. 微粒的粒子性的实验证据是______.

18. 按照爱因斯坦光子假设,光子的能量E和动量P与光波的频率ν和波长 λ的关系为 E=____,P=____. 19. 按照德布洛依假设,能量为E、动量为P的自由粒子其相应的物质波的 波长λ=__ __,频率ν=___. 20. 自由粒子的动能为E,速度远小于光速,则德布罗依波长λ=____. 21. 电子被电势差V(伏)加速,则德布罗依波长λ=____. 22. 按照德布洛依假设,粒子的能量E、动量P与相应的物质波的频率ν, 波长λ的关 系是____,______. 23. 历史上第一个肯定光除了波动性之外还具有粒子性的科学家是____. 24. 历史上第一次用实验证明实物具有波动性的科学家是________. 25. 能量为E,动量为P的自由粒子的平面波的表达式是________. 26. 玻尔的氢原子理论包含三条假设,分别是_____,_____,_____. 27. 索末菲对玻尔的轨道量子化条件推广为__________. 28. 玻尔的频率条件表示为________. 29. 任何态函数用动量本征函数展开的表达式为_____________. 30. 任何态函数在动量表象中的表达式为________________. 31. 波函数是指__________.

量子力学试题及答案

2002级量子力学期末考试试题和答案 B 卷 一、(共25分) 1、厄密算符的本征值和本征矢有什么特点?(4分) 2、什么样的状态是束缚态、简并态和偶宇称态?(6分) 3、全同玻色子的波函数有什么特点?并写出两个玻色子组成的全同粒子体系的波函数。(4分) 4、在一维情况下,求宇称算符P ?和坐标x 的共同本征函数。(6分) 5、简述测不准关系的主要内容,并写出时间t 和能量E 的测不准关系。(5分) 二、(15分)已知厄密算符B A ?,?,满足1??22==B A ,且0????=+A B B A ,求 1、在A 表象中算符A ?、B ?的矩阵表示; 2、在A 表象中算符B ?的本征值和本征函数; 3、从A 表象到B 表象的幺正变换矩阵S 。 三、(15分)线性谐振子在0=t 时处于状态 )21exp(3231)0,(2 2x x x ααπαψ-??????-=,其中 ημω α=,求 1、在0=t 时体系能量的取值几率和平均值。 2、0>t 时体系波函数和体系能量 的取值几率及平均值 四、(15分)当λ为一小量时,利用微扰论求矩阵

??? ?? ? ?++λλλλλλ23303220 21的本征值至λ的二次项,本征矢至λ的一次项。 五、(10分)一体系由三个全同的玻色子组成, 玻色子之间无相互作用. 玻色子只有两个可能的单粒子态. 问体系可能的状态有几个? 它们的波函数怎样用单粒子波函数构成? 一、1、厄密算符的本征值是实数,本征矢是正交、归一和完备的。 2、在无穷远处为零的状态为束缚态;简并态是指一个本征值对应一个以上本征函数的情况;将波函数中坐标变量改变符号,若得到的新函数与原来的波函数相同,则称该波函数具有偶宇称。 3、全同玻色子的波函数是对称波函数。两个玻色子组成的全同粒子体系的波函数为: [])()()()(21 12212211q q q q S ????φ+= 4、宇称算符P ?和坐标x 的对易关系是:P x x P ?2],?[-=,将其代入测不准关系知,只有当0?=P x 时的状态才可能使P ?和x 同时具有确定值,由)()(x x -=δδ知,波函数)(x δ满足上述要求,所以)(x δ是算符P ?和x 的共同本征函数。 5、设F ?和G ?的对易关系k ?i F ?G ?G ?F ?=-,k 是一个算符或普通的数。以F 、G 和k 依次表示F ?、G ?和k 在态ψ中的平均值,令 F F ?F ?-=?,G G ?G ?-=?, 则有 42 2 2 k )G ?()F ?(≥???,这个关系式称为测不准关系。 时间t 和能量E 之间的测不准关系为: 2η ≥ ???E t 二、1、由于1?2=A ,所以算符A ?的本征值是1±,因为在A 表象中,算符A ?的矩阵是对角矩阵,所以,在A 表象中算符A ?的矩阵是:???? ??-=1001)(?A A

量子力学习题答案.

2.1 如图所示 左右 0 x 设粒子的能量为,下面就和两种情况来讨论(一)的情形 此时,粒子的波函数所满足的定态薛定谔方程为 其中 其解分别为 (1)粒子从左向右运动 右边只有透射波无反射波,所以为零 由波函数的连续性 得 得 解得 由概率流密度公式 入射 反射系数 透射系数 (2)粒子从右向左运动 左边只有透射波无反射波,所以为零 同理可得两个方程 解 反射系数 透射系数

(二)的情形 令 ,不变 此时,粒子的波函数所满足的定态薛定谔方程为 其解分别为 由在右边波函数的有界性得为零 (1)粒子从左向右运动 得 得 解得 入射 反射系数 透射系数 (2)粒子从右向左运动 左边只有透射波无反射波,所以为零 同理可得方程 由于全部透射过去,所以 反射系数 透射系数 2.2 如图所示 在有隧穿效应,粒子穿过垒厚为的方势垒的透射系数为 总透射系数

2.3 以势阱底为零势能参考点,如图所示 (1) ∞ ∞ 左中右 0 a x 显然 时只有中间有值 在中间区域所满足的定态薛定谔方程为 其解是 由波函数连续性条件得 ∴ ∴ 相应的 因为正负号不影响其幅度特性可直接写成 由波函数归一化条件得 所以波函数 (2) ∞∞ 左中右 0 x 显然 时只有中间有值 在中间区域所满足的定态薛定谔方程为 其解是 由波函数连续性条件得

当,为任意整数, 则 当,为任意整数, 则 综合得 ∴ 当时,, 波函数 归一化后 当时,, 波函数 归一化后 2.4 如图所示∞ 左 0 a 显然 在中间和右边粒子的波函数所满足的定态薛定谔方程为其中 其解为 由在右边波函数的有界性得为零 ∴ 再由连续性条件,即由 得 则 得 得 除以得 再由公式 ,注意到 令 ,

大学物理量子力学习题附答案

1.4185:已知一单色光照射在钠表面上,测得光电子的最大动能是1.2 eV ,而钠的红限波长是5400 ?,那么入射光的波长是 (A) 5350 ? (B) 5000 ? (C) 4350 ? (D) 3550 ? [ ] 2.4244:在均匀磁场B 内放置一极薄的金属片,其红限波长为λ0。今用单色光照射,发现有电子放出,有些放出的电子(质量为m ,电荷的绝对值为e )在垂直于磁场的平面内作半径为R 的圆周运动,那末此照射光光子的能量是: (A) 0λhc (B) 0 λhc m eRB 2)(2+ (C) 0λhc m eRB + (D) 0λhc eRB 2+ [ ] 3.4383:用频率为ν 的单色光照射某种金属时,逸出光电子的最大动能为E K ;若改用频率为2ν 的单色光照射此种金属时,则逸出光电子的最大动能为: (A) 2 E K (B) 2h ν - E K (C) h ν - E K (D) h ν + E K [ ] 4.4737: 在康普顿效应实验中,若散射光波长是入射光波长的1.2倍,则散射光光子能量ε与反冲电子动能E K 之比ε / E K 为 (A) 2 (B) 3 (C) 4 (D) 5 [ ] 5.4190:要使处于基态的氢原子受激发后能发射赖曼系(由激发态跃迁到基态发射的各谱线组成的谱线系)的最长波长的谱线,至少应向基态氢原子提供的能量是 (A) 1.5 eV (B) 3.4 eV (C) 10.2 eV (D) 13.6 eV [ ] 6.4197:由氢原子理论知,当大量氢原子处于n =3的激发态时,原子跃迁将发出: (A) 一种波长的光 (B) 两种波长的光 (C) 三种波长的光 (D) 连续光谱 [ ] 7.4748:已知氢原子从基态激发到某一定态所需能量为10.19 eV ,当氢原子从能量为-0.85 eV 的状态跃迁到上述定态时,所发射的光子的能量为 (A) 2.56 eV (B) 3.41 eV (C) 4.25 eV (D) 9.95 eV [ ] 8.4750:在气体放电管中,用能量为12.1 eV 的电子去轰击处于基态的氢原子,此时氢原子所能发射的光子的能量只能是 (A) 12.1 eV (B) 10.2 eV (C) 12.1 eV ,10.2 eV 和 1.9 eV (D) 12.1 eV ,10.2 eV 和 3.4 eV [ ] 9.4241: 若α粒子(电荷为2e )在磁感应强度为B 均匀磁场中沿半径为R 的圆形轨道运动,则α粒子的德布罗意波长是 (A) )2/(eRB h (B) )/(eRB h (C) )2/(1eRBh (D) )/(1eRBh [ ] 10.4770:如果两种不同质量的粒子,其德布罗意波长相同,则这两种粒子的 (A) 动量相同 (B) 能量相同 (C) 速度相同 (D) 动能相同 [ ] 11.4428:已知粒子在一维矩形无限深势阱中运动,其波函数为: a x a x 23cos 1)(π?= ψ ( - a ≤x ≤a ),那么粒子在x = 5a /6处出现的概率密度为 (A) 1/(2a ) (B) 1/a (C) a 2/1 (D) a /1 [ ] 12.4778:设粒子运动的波函数图线分别如图(A)、(B)、(C)、(D)所示,那么其中确定 粒子动量的精确度最高的波函数是哪个图?

相关主题
文本预览
相关文档 最新文档