最新16量子力学基础汇总

第⼗六章量⼦⼒学基础第⼗六章量⼦⼒学基础⼀、基本要求1、了解波函数的概念及其统计意义，理解微观粒⼦的波动性2、了解⼀维定态的薛定谔⽅程及其波函数解⼀般必须满⾜的条件，以及量⼦⼒学中⽤薛定谔⽅程处理⼀维⽆限深势阱、⼀维谐振⼦等微观物理问题的⽅法。

3、了解量⼦⼒学对氢原⼦问题处理的基本⽅法，理解描述氢原⼦量⼦态的三个量⼦数（m l n ,,）的函义和能级公式。

了解核外电⼦概率分布的函数形式和意义。

⼆、基本内容本章重点：建⽴量⼦物理的基本概念，了解微观粒⼦运动的基本特征、波函数的概念及其统计解释、⼀维定态的薛定谔⽅程及其应⽤。

本章难点：波函数及其核外电⼦概率分布的意义。

（⼀）波函数及其统计意义：微观粒⼦的运动状态称为量⼦态，是⽤波函数),(t r来描述的，这个波函数所反映的微观粒⼦波动性，就是德布罗意波。

（量⼦⼒学的基本假设之⼀）玻恩指出：德布罗意波或波函数),(t r不代表实际物理量的波动，⽽是描述粒⼦在空间的概率分布的概率波。

量⼦⼒学中描述微观粒⼦的波函数本⾝是没有直接物理意义的, 具有直接物理意义的是波函数的模的平⽅，它代表了粒⼦出现的概率。

微观粒⼦的概率波的波函数是：),,,(),(t z y x t r概率密度：波函数模的平⽅2|),(|t r 代表时刻t ，在r 处附近空间单位体积中粒⼦出现的⼏率。

因此2|),(|t r也被称为概率密度。

即某⼀时刻出现在某点附近在体积元dV 中的粒⼦的概率为：或d t r 2|),(| 波函数必须满⾜标准化条件：单值、连续、有限。

波函数必须满⾜归⼀化条件：zy x t z y x d d d ),,,(2),,,(),,,(),,,(t z y x t z y x t z y x 1d )()(Vt r t r ,,（⼆）薛定谔⽅程： 1、含时薛定谔⽅程：量⼦⼒学中微观粒⼦的状态⽤波函数来描述，决定粒⼦状态变化的⽅程是薛定谔⽅程。

⼀般形式的薛定谔⽅程，也称含时薛定谔⽅程，即：式中是粒⼦的质量，)(r U时，为定态薛定谔⽅程：其特解为：概率密度分布为：（三）⼀维势阱和势垒问题： 1、⼀维⽆限深⽅势阱：对于⼀势阱有维⽆限深⽅ U(x)定态薛定谔⽅程为：令x薛定谔⽅程的解为：其中 ,,A k 都是常量，（ ,A 为积分常量），其中 ,A 分别⽤归⼀化条件和边界条件确定。

一个吸收全部入射线的表面称为黑体表面。 一个带小孔的空腔可视为黑体表面。它几乎完全 吸收入射幅射。通过小孔进去的光线碰到内表面 时部分吸收，部分漫反射，反射光线再次被部分 吸收和部分漫反射……，只有很小部分入射光有 机会再从小孔中出来。如图1－1所示
图 1－ 2表 示在四种不同 的温度下，黑 体单位面积单 位波长间隔上 发射的功率曲 线。十九世纪 末，科学家们 对黑体辐射实 验进行了仔细 测量，发现辐 射强度对腔壁 温度 T的依赖 关系。
玻尔
Bohr
他获得了 1922年的 诺贝尔物 理学奖。
玻尔
Bohr(older)
1.1.3
--- 德布罗意物质波
Einstein为了解释光电效应提出了光子说， 即光子是具有波粒二象性的微粒，这一观点在科 学界引起很大震动。1924年，年轻的法国物理学 家德布罗意（de Broglie）从这种思想出发,提 出了实物微粒也有波性,他认为：“在光学上,比 起波动的研究方法，是过于忽略了粒子的研究方 法；在实物微粒上，是否发生了相反的错误？是 不是把粒子的图像想得太多，而过于忽略了波的 图像？” 他提出实物微粒也有波性，即德布罗意波。
为了解释以上结果，玻尔综合了普朗克的量子论， 爱因斯坦的光子说以及卢瑟福的原子有核模型，提出著 名的玻尔理论： （1）原子中有一些确定能量的稳定态，原子处于定态 不辐射能量。 （2）原子从一定态过渡到另一定态，才发射或吸收能量。
E E2 E
1
h
（3）各态能量一定，角动量也一定( M=nh/2π ) 并且是量子化的，大小为 h/2π 的整数倍。
E =
h v , p = h / λ
1927年，戴维逊（Davisson）与革末 （Germer）利用单晶体电子衍射实验，汤姆逊 （Thomson）利用多晶体电子衍射实验证实了德 布罗意的假设。 光（各种波长的电磁辐射）和微观实物粒 子（静止质量不为0的电子、原子和分子等）都 有波动性（波性）和微粒性（粒性）的两重性 质，称为波粒二象性。 戴维逊(Davisson)等估算了电子的运动速度， 若将电子加压到1000V,电子波长应为几十个pm， 这样波长一般光栅无法检验出它的波动性。他 们联想到这一尺寸恰是晶体中原子间距，所以 选择了金属的单晶为衍射光栅。

Eˆ i 哈密顿算符 t
pˆ x

i
Hˆ

x
2
xˆ x 2 U
定态薛定谔方程（一维）
条件：U=U(x,y,z)

不随时间变化。
2 2m
2m 2Ψ x2 U( x)Ψ

i Ψ t
一般薛定谔方程（三维） 2 2 U i
2m
波粒二象性小结
(Summary and revision)
一、普朗克量子假设：
谐振子能量为： En nh n 1.2.3
二、光电效应，爱因斯坦光子理论
爱因斯坦认为：光不仅在发射和吸收时具有粒子性， 在空间传播时也具有粒子性，即一束光是一粒粒以光 速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子，简称光子。
v

2mx

1.05 1034 2 9.1 1031 1010

0.6106 m/s
按经典力学计算
v2 m
r

k
e2 r2
v
ke2 mr
9109 (1.6 1019 )2 9.11031 0.5 1010
2.2106m/s
速度与其不确定度 同数量级。可见，对原 子内的电子，谈论其速 度没有意义，描述其运 动必须抛弃轨道概念， 代之以电子云图象。
解 单色光照射钠金属，发生光电
效应，利用数据，可求出逸出功
A

h

1 2
mv
2 m

hc


1 2
mv
2 m
E0=0 EF

6.631034 3108 300109 1.6 1019
1.84

量子力学的知识点量子力学是一门研究微观世界的物理学分支，它描述了微观粒子的行为和相互作用。

本文将介绍一些量子力学的基本概念和知识点。

1. 波粒二象性：量子力学中最基本的概念之一是波粒二象性。

根据波粒二象性，微观粒子既可以表现出波动性，也可以表现出粒子性。

例如，电子和光子既可以像粒子一样被探测到，也可以像波一样干涉和衍射。

2. 不确定性原理：不确定性原理是量子力学的核心原理之一，由海森堡提出。

它指出，在某一时刻，无法同时准确测量一个粒子的位置和动量。

换句话说，粒子的位置和动量不能同时被完全确定。

3. 波函数和量子态：波函数是量子力学中描述微观粒子的数学工具。

它可以用来计算粒子的概率分布和状态。

量子态则是描述粒子的完整信息，包括波函数和其他相关信息。

4. 叠加态和量子叠加：叠加态是指一个粒子处于多个可能状态的叠加状态。

量子叠加是指粒子在没有被观测之前，可以同时处于多个可能状态，直到被观测时才会坍缩到其中一个确定的状态。

5. 纠缠态和量子纠缠：纠缠态是指多个粒子之间存在相互关联的状态。

量子纠缠是指两个或多个粒子之间的状态相互依赖，无论它们之间有多远的距离。

6. 测量和量子测量：量子测量是指对一个量子系统进行观测，以获取它的某个性质的数值。

量子测量会导致波函数坍缩，从而确定粒子的状态。

7. 哥本哈根解释：哥本哈根解释是量子力学最广泛接受的解释之一，由波尔和海森堡等人提出。

它强调了观察者在量子系统中的重要性，认为观测会导致波函数坍缩，从而决定粒子的状态。

8. 量子力学的应用：量子力学在现代科学和技术中有广泛的应用。

例如，量子力学在原子物理学、核物理学、凝聚态物理学和量子计算等领域发挥着重要作用。

总结起来，量子力学是一门研究微观世界的物理学分支，它涉及到波粒二象性、不确定性原理、波函数和量子态、叠加态和量子叠加、纠缠态和量子纠缠、测量和量子测量、哥本哈根解释以及量子力学的应用等知识点。

通过深入了解这些知识点，我们可以更好地理解微观世界的奥秘，并应用于相关领域的研究和技术发展中。