薛定谔方程

§12－6 薛定谔方程德布洛意关于物质波的概念传到苏黎世后，薛定谔作了一个关于物质波的报告。

报告后， 德拜(P.Debye)评论说：有了波，就应有一个波动方程。

几个月后，薛定谔果然提出了一个波方程，这就是后来在量子力学中著名的薛定谔方程。

薛定谔方程是量子力学的动力学方程，象牛顿方程一样，不能从更基本的方程推导出来，它是否正确，只能由实验检验。

一、薛定谔方程 1 一维薛定谔方程1）一维自由运动粒子(无势场)设：一维自由运动粒子，无势场，不受力，动量不变。

一维自由运动粒子的波函数(前已讲)ψ(x , t ) = ψ0 e -i(2π/h ) (Et - px )由此有再利用 可得此即一维自由运动粒子(无势场)的含时薛定谔方程。

2）若粒子在势场U (x , t ) 中运动由 有此即一维自由运动粒子在势场中的含时薛定谔方程。

3）定态薛定谔方程若粒子在恒定势场U = U (x )中运动，微观粒子的势能仅是坐标的函数，与时间无关，可把上式中的波函数分成坐标函数与时间函数的乘积，即2222ip x hp x hψψψψ∂=∂∂=-∂22p E m=222282h h i m x tψψππ∂∂-=∂∂22p p E E m =+222282p h h E i m x tψψψππ∂∂-+=∂∂2(,)()()()iEt hx t x f t x eπψϕϕ-==式中 ψ =ψ (x , t )是粒子在势场U = U (x , t )中运动的波函数。

将ψ =ψ (x , t ) = ψ(x )T (t )代入得一维定态薛定谔方程式中ψ =ψ (x )是定态波函数，它所描写的粒子的状态称作定态，是能量取确值的状态。

定态的概率密度ψ(x ,t ) ψ*(x ,t ) = ψ (x ) ψ *(x ) 定态下的概率密度和时间无关。

在量子力学中用薛定谔方程式加上波函数的物理条件，求解微观粒子在一定的势场中的运动问题(求波函数，状态能量，概率密度等)。

薛定谔方程薛定谔方程(Schrödinger equation)是一个由奥地利物理学家薛定谔在1926年[1]描述量子力学中波函数的运动方程，被认为是量子力学的奠基理论之一。

薛定谔方程主要分为含时薛定谔方程与不含时薛定谔方程。

含时薛定谔方程相依于时间，专门用来计算一个量子系统的波函数，怎样随着时间演变。

不含时薛定谔方程不相依于时间，可以计算一个定态量子系统，对应于某本征能量的本征波函数。

波函数又可以用来计算，在量子系统里，某个事件发生的概率幅。

而概率幅的绝对值的平方，就是事件发生的概率密度。

薛定谔方程的解答，清楚地描述量子系统里，量子尺寸粒子的统计性量子行为。

量子尺寸的粒子包括基本粒子，像电子、质子、正电子、等等，与一组相同或不相同的粒子，像原子核。

薛定谔方程可以转换为海森堡的矩阵力学，或费曼的路径积分表述 (path integral formulation) 。

薛定谔方程是个非相对论性的方程，不能够用于相对论性理论。

海森堡表述比较没有这么严重的问题;而费曼的路径积分表述则完全没有这方面的问题。

目录[隐藏], 1 含时薛定谔方程, 2 不含时薛定谔方程, 3 历史背景与发展, 4 含时薛定谔方程导引o 4.1 启发式导引, 4.1.1 假设, 4.1.2 波函数以复值平面波来表达波函数o 4.2 薛定谔的导引, 5 特性o 5.1 线性方程, 5.1.1 证明o 5.2 实值的本征态o 5.3 幺正性, 5.3.1 证明o 5.4 完备基底, 6 相对论性薛定谔方程, 7 解析方法, 8 实例o 8.1 自由粒子o 8.2 一维谐振子o 8.3 球对称位势, 8.3.1 角部分解答, 8.3.2 径向部分解答, 9 参阅, 10 参考文献, 11 外部链接[编辑] 含时薛定谔方程虽然，含时薛定谔方程能够启发式地从几个假设导引出来。

理论上，我们可以直接地将这方程当作一个基本假定。

在一维空间里，一个单独粒子运动于位势中的含时薛定谔方程为;(1) 其中，是质量，是位置，是相依于时间的波函数，是约化普朗克常数，是位势。

计算材料学薛定谔方程计算材料学是一门涵盖材料科学、物理学和化学等学科的交叉学科，它通过计算机模拟，预测、优化和设计新的材料。

而薛定谔方程则是计算材料学中最基础且最核心的方程之一。

一、薛定谔方程的基本概念薛定谔方程是研究微观粒子运动的基本方程，它描述的是粒子的波函数在空间中的演化过程。

波函数用于描述粒子在空间中的行为，包括位置和能量等信息。

薛定谔方程的数学描述形式为：HΨ=EΨ其中，H为哈密顿量，Ψ为波函数，E为能量。

该方程本质上是时间无关的薛定谔方程，是描述粒子在定态下的运动。

二、薛定谔方程在计算材料学中的应用薛定谔方程在计算材料学中应用非常广泛。

材料结构的稳定性和性质通常可以通过求解薛定谔方程来加以解释。

特别是对于具有复杂结构和较高运动速度的粒子，直接进行实验研究是非常困难的，而求解薛定谔方程则使得计算机模拟成为了一种非常有效的手段。

1. 晶体结构优化在计算材料学中，最常用的方法是优化能量。

优化能量可以得到材料体系内每个原子的最新坐标。

因此，通过求解薛定谔方程，可以对晶体结构进行优化设计，从而实现理性设计新型材料。

2. 电子结构计算薛定谔方程可以帮助研究者解释原子中的电子结构、物质的各种性质和反应，包括它们的磁性、电性和光性等。

通过计算材料学方法，可以用薛定谔方程解释某些化学反应的发生原因，以及这些反应如何影响材料的性质和性能。

三、结语薛定谔方程在计算材料学中扮演着重要的角色，它使得科学家们能够更好地理解和设计新材料。

通过计算机模拟，研究者可以以更加优化的方式研究材料结构、性质、反应等，为新一代材料的设计发展做出贡献。

第27章薛定谔方程·德布洛意关于物质波的概念传到苏黎世后，薛定谔作了一个关于物质波的报告，报告后，德拜(P.Debye)评论说：有了波，就应有一个波动方程。

几个月后，薛定谔果然提出了一个波方程，这就是后来在量子力学中著名的薛定谔方程。

·薛定谔方程是量子力学的动力学方程，象牛顿方程一样，不能从更基本的方程推导出来；它是否正确，只能由实验检验。

§1 薛定谔方程的建立(一种方法)一.薛定谔方程1.一维薛定谔方程·一维自由运动粒子无势场，不受力，动量不变。

· 一维自由运动粒子的波函数(前已讲)由此有· 再利用 可得此即 一维自由运动粒子(无势场)的薛定谔方程·推广到若粒子在势场U (x , t ) 中运动由 有 ∂ψ∂ x = ( )P ψi h∂2ψ ∂ x 2 P 2h 2= -( ) ψ P 22m E = P 22m E = +U (x , t )∂ t= i h ( ) ψ (x , t )h 22m - ( ) ψ (x , t ) ∂x 2∂ ∂2一维薛定谔方程 式中 ψ =ψ (x , t )是粒子在势场U = U (x , t ) 中运动的波函数·和经典关系相比较,只要把再作用到波函数 ψ (x , t ) 上，即可得到 上述方程。

P 22m E = +U (x , t )2.三维薛定谔方程式由一维方程推广可得三维薛定谔方程式· 拉普拉斯算符(三维薛定谔方程式在球坐标下的形式请见 教材B 版p332)·当 U (r , t) = 0时，方程的解， 即三维自由运动粒子的波函数∂2 ∂x 2 ∂2 ∂y 2 ∇2≡ + + ∂2 ∂z 2·波函数的叠加原理薛定谔方程是ψ的线性微分方程；若ψ1、ψ2是方程的解，则c1ψ1 + c2ψ2也是方程的解。

(c1、c2是常数)★E.Schrodinger & P.A.M.Dirac 荣获1933年Nobel Prize (for the discovery of new productive forms of atomic theory)薛定谔(1887-1961)奥地利人创立量子力学二.定态薛定谔方程 1.一维定态薛定谔方程 若粒子在恒定势场U = U (x ) 中运动(含常数势场U = U 0 )薛定谔方程式可用分离变量法求解。

薛定谔方程式概述薛定谔方程式（Schrödinger equation）是量子力学的核心方程之一，描述了量子系统的时间演化。

由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔于1925年提出，被誉为量子力学的基石之一。

薛定谔方程式的发现极大地推动了量子力学的发展，为人们理解微观世界的性质提供了重要工具。

薛定谔方程式在波动力学（wave mechanics）中得到了严格推导和解释。

它描述了一个不含外部力和电磁场的短程自由粒子或由简单势场所引起的粒子的行为。

对于多粒子系统，薛定谔方程式可以将多个粒子的波函数妥善地描述为一个整体波函数。

方程式的形式薛定谔方程式的一般形式如下所示：iℏ∂Ψ∂t=ĤΨ其中，i是虚数单位，ℏ是约化普朗克常数（等于普朗克常数除以2π），∂Ψ∂t表示波函数Ψ对时间t的偏导数，Ĥ是哈密顿算符（Hamiltonian operator），描述了系统的总能量。

薛定谔方程式是一个偏微分方程，描述了波函数随时间的演化。

根据方程式的形式，可以看出波函数的时间导数与波函数自身之间存在一种深刻的关系，通过求解薛定谔方程式，我们可以获得系统的波函数，并从中得到系统的物理性质。

波函数的解释根据波函数的解释，波函数Ψ(x,t)是位置x和时间t的一个函数，它描述了粒子存在于不同位置时的概率振幅。

波函数的模方|Ψ(x,t)|2表示了在位置x处寻找粒子的概率密度。

量子力学的一般规则告诉我们，波函数的平方和在整个空间上积分应该等于1，即：∫|Ψ(x,t)|2∞−∞dx=1这表示粒子总是处于一定的状态中，而且它的位置在真实性上是不确定的，只有一定的概率存在于某个特定位置。

哈密顿算符在薛定谔方程式中，哈密顿算符Ĥ起着关键的作用，它对应着系统的总能量。

哈密顿算符的具体形式取决于所研究的系统的性质。

对于一个自由粒子，哈密顿算符可以写为：Ĥ=−ℏ22m∂2∂x2其中，m是粒子的质量。

对于一个粒子受势场影响的情况，哈密顿算符则需要加入相应的势能项。

薛定谔方程一般表达式
薛定谔方程是描述量子力学中粒子的运动和性质的方程。

一般表达式为：
Hψ = Eψ
其中，H是哈密顿算符，ψ是波函数，E是能量。

在一维情况下，薛定谔方程可以写成：
-ħ²/2m * ∂²ψ/∂x² + V(x)ψ = Eψ
其中，ħ是普朗克常数除以2π，m是粒子的质量，V(x)是势能函数，E是粒子的能量。

在三维情况下，薛定谔方程可以写成：
-ħ²/2m * (∂²ψ/∂x² + ∂²ψ/∂y² + ∂²ψ/∂z²) + V(x, y, z)ψ = Eψ
其中，x、y、z是空间坐标，V(x, y, z)是势能函数，E是粒子的能量。

这些方程描述了波函数随时间和空间的变化，通过求解薛定谔方程，可以得到粒子的波函数以及与波函数相关的物理量，如能量、位置、动量等。

薛定谔方程表达式薛定谔方程（Schrödinger equation）是一种经典的方程，用于描述粒子的波动性。

它是量子力学在研究量子系统中的基础方程式。

薛定谔方程由詹姆斯·薛定谔在1925年第一次提出，并用于量子力学建模和解决，并被用于许多不同领域，如原子物理学和材料科学。

一、定义薛定谔方程是一个基本的数学方程，可以用来描述粒子的波动性和量子力学，也用于原子物理学和材料科学等领域建模。

它可以用来描述量子现象的基础力学行为。

它的表达式是：$$i\hbar\dfrac{\partial}{\partial t}\psi(x,t)=\hat{H}\psi(x,t)$$其中$\psi$是粒子的函数，$\hat{H}$是粒子的Hamilto算符，$t$表示时间，$i$表示虚数单位，$\hbar$是由物理常数Planck的常数除以2$\pi$所得的单位。

二、特点薛定谔方程具有以下特点：（1）数学严谨性：薛定谔方程是一个基本的数学方程，可以用来准确描述粒子波动性；（2）应用广泛性：薛定谔方程不仅可以用于量子力学建立模型和解决问题，同时还可以应用到原子物理学、材料科学等领域；（3）简洁性：薛定谔方程只需要一个数学表达式，却可以描述量子力学中基本的力学行为；（4）学习方便性：薛定谔方程可以利用之前学过的代数知识去理解，不需要特别复杂的数学知识即可学习。

三、应用薛定谔方程被用于原子物理学，材料科学，电子学，化学物理，高分子物理，量子生物物理，量子信息等多个领域中。

（1）量子力学：薛定谔方程可以用来描述系统的粒子波动性和量子效应，它描述了受物理量子系统的特定粒子的波动动力；（2）原子物理：薛定谔方程用于描述原子核的结构，它能够提供一个准确的模型来表达原子核的特征；（3）材料科学：薛定谔方程可以用于描述晶体中原子分子之间的相互作用，它也可以用来识别晶体材料的特性；（4）电子学：薛定谔方程可以用来解释物理和化学特性，它还能够用于模拟终端器件，从而可以提高终端设备的效能。

薛定谔方程解析薛定谔方程是量子力学中的一个基本方程，描述了量子体系的演化规律。

它由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔于1925年提出，被誉为量子力学的基石之一。

薛定谔方程在解释微观粒子的运动和性质方面起着重要的作用。

薛定谔方程是对量子体系的波函数进行数学描述的方程。

波函数是描述微观粒子行为的数学函数，它包含了粒子的位置和动量等信息。

薛定谔方程可以用来计算波函数在时间和空间上的演化。

薛定谔方程的一般形式为：iħ∂Ψ/∂t = ĤΨ其中，i是虚数单位，ħ是普朗克常量除以2π，Ψ是波函数，t是时间，Ĥ是哈密顿算符。

薛定谔方程的左侧表示波函数随时间的变化率，右侧表示哈密顿算符作用在波函数上得到的结果。

哈密顿算符包含了粒子的动能和势能等信息。

薛定谔方程的解析解通常较为复杂，只有在一些特殊情况下才能得到解析解。

对于大多数真实的物理系统，需要采用数值方法求解薛定谔方程。

薛定谔方程的解析解可以用来计算粒子的能级和波函数。

能级是粒子在不同能量状态下的取值，波函数则描述了粒子的位置和动量分布。

薛定谔方程的解析解在量子力学的发展中起到了重要的作用。

它为解释微观世界的现象提供了基础，例如描述原子和分子的结构和性质。

薛定谔方程的解析解还被应用于量子力学中的各种问题，如谐振子、氢原子等。

薛定谔方程的解析解还引发了一些深入的思考和讨论。

例如，波粒二象性的概念，即微观粒子既可以表现为粒子又可以表现为波动的性质。

波函数的坍缩和量子纠缠等现象也是基于薛定谔方程得到的。

薛定谔方程是量子力学中的一个重要方程，用于描述量子体系的演化规律。

它的解析解可以用来计算粒子的能级和波函数，为解释微观世界的现象提供了基础。

薛定谔方程的发展和应用推动了量子力学的发展，对物理学和其他相关领域产生了深远的影响。

薛定谔方程及其应用薛定谔方程是量子力学的基础方程之一，描述了微观粒子的行为和性质。

它由奥地利物理学家薛定谔于1925年提出，被广泛应用于原子物理、分子物理、凝聚态物理等领域。

本文将介绍薛定谔方程的基本原理以及其在量子力学研究和实际应用中的重要性。

薛定谔方程是描述量子力学体系中粒子的波动性质的基本方程。

它的一般形式为：iħ∂Ψ/∂t = ĤΨ其中，i是虚数单位，ħ是约化普朗克常数，Ψ是波函数，t是时间，Ĥ是哈密顿算符。

薛定谔方程是一个偏微分方程，描述了波函数随时间的演化规律。

通过求解薛定谔方程，可以得到粒子的波函数，从而计算出粒子的能量、动量、位置等物理量。

薛定谔方程的解可以用波函数表示，波函数的模的平方表示了粒子存在于不同位置的概率。

波函数的具体形式取决于体系的边界条件和势能场。

对于自由粒子，波函数可以用平面波表示；对于束缚态，波函数则由边界条件和势能场决定。

薛定谔方程的解可以通过数值计算或近似方法求得。

薛定谔方程在量子力学的研究中起着重要的作用。

它可以用来描述原子和分子的电子结构，解释化学反应的机理，预测材料的性质等。

在原子物理中，薛定谔方程被用来计算原子的能级和光谱线；在分子物理中，薛定谔方程可以用来研究分子的振动和转动；在凝聚态物理中，薛定谔方程被用来描述电子在晶体中的行为和导电性质。

除了用于研究基本粒子和物质的性质，薛定谔方程还被应用于量子计算和量子通信等领域。

量子计算是一种基于量子力学原理的新型计算方法，利用量子叠加和量子纠缠的特性，可以在某些情况下比传统计算方法更高效。

薛定谔方程提供了描述量子比特（qubit）行为的数学工具，为量子计算的实现提供了理论基础。

此外，薛定谔方程还被应用于量子力学中的一些基本现象的研究，如量子隧穿效应、量子干涉和量子纠缠等。

这些现象在实验室中已经得到了验证，并且在量子信息科学和量子技术的发展中发挥着重要作用。

总之，薛定谔方程是量子力学的基本方程之一，描述了微观粒子的波动性质。

第二章dinger oSchr 方程 §2.1dinger oSchr 方程dinger oSchr 方程是非相对论量子力学的基本方程、是公设，正确性只能由它导出结论和实验是否符合来检验。

下面只是去理解它。

已知无外场自由粒子波函数为()(),i p r Et r t Ceψ⋅-=由于22p E m=，这个(),r t ψ 表达式显然满足下面形式的波动方程()()2ˆ,,2r t p i r t t m ψψ∂=∂这就是自由微观粒子的dinger oSchr 方程。

用一种简明的公设性程式——“一次量子化”方法直接“得到”这个方程：将非相对论经典物理学关于自由粒子能量等式22p E m=，按以下对应关系替换为量子算符（2.1a ） 将得到的算符方程作用到系统状态波函数(),r t ψ上即可。

若有外场()V r ，系统总能量为()22p E V r m=+。

采用“一次量子化”程式：（2.1b ） 将所得算符方程作用到波函数(),r t ψ上，就得到对应的量子系统的非相对论动力学方程━dinger oSchr 方程：(2.2)这里()()()()ˆˆ,,V r r t V r r t ψψ= ，通常记()()22ˆ22p V r V r H m m+=-∆+= ，称为此量子系统的哈密顿量算符。

这里指出四点：第一，全面写开，非相对论性量子系统的dinger oSchr 方程为(2.3) 其中()(),0r f r ψ=为给定的初始条件，根据需要再配以适当边界条件，组成一个完整的非相对论量子力学问题。

第二，“一次量子化”程式只是一种理解，不能当作严肃的逻辑论证。

虽然在理解方程中用到了第一、第二公设，实质上方程仍然是个独立的公设1，共同代表着由经典力学向量子力学的逻辑飞跃。

第三，对复杂经典系统，比如势V 中还含有动量p的情况，一次量子化过程中，一个经典力学量表达式可能对应几个量子算符表达式。

它们之间差别仅在于其中ˆr和ˆp 的排列顺序不同。