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第三章 量子体系的力学量本章讨论在量子力学中如何描述力学量的问题。
它是量子力学的重点之一，对初学者而言，开始显得比较抽象，因此，应注意习题训练。
3．1 力学量的平均值公式 力学量用算符表示~算符进入量子力学一、坐标的平均值⎰⎰⎰∞∞-∞∞-∞∞-==>=<r d r r d r r d t r w r r 3*323),(ψψψ分量： ⎰∞∞->=<r d t r x t r x n n3*),(),(ψψ问题：能否用),(t rψ导出其他力学量的平均值？二、动量的平均值⎰⎰⎰∞∞-∞∞-∞∞-==>=<p d t p C p t p C p d t p C p p d t p w p p3*323),(),(),(),(我们希望直接用),(t r ψ写出><p（注意r d t r p p 32),(⎰>≠<ψ~2),(t r ψ不是p的几率）。
以x 分量为例：⎰∞∞->=<p d t p C p t p C p x x3*),(),(将 r d e t r t p C r p i⎰∞∞-⋅-=323),()2(1),(ψπ 代入，有⎰⎰⎰∞∞-⋅-∞∞-⋅>=<pd r de t r p r d e t r p r p i x r p i x3/3/233*23]}),()2(1[]),()2(1[{/ψπψπ ⎰⎰⎰-⋅=])2(1)[,(),(3)(3//3*3/p d ep t r r d t r r d r r p i xπψψ计算[…]有)()()2(1[...]/33)(3/r r x i p d e x i r r p i-∂∂-=∂∂-=⎰∞∞--⋅δπ 于是 ⎰⎰∞∞-∞∞--∂∂->=<)(),())(,(/3//3*3r r t r r d x i t r r d p x δψψ),())(,(*3t r xi t r r d ψψ⎰∞∞-∂∂-=。
第三章表象理论本章提要：本章讨论态矢和算符的具体表示形式。
首先，重点讨论了本征矢和本征函数、态矢量和波函数之间的关系，指出了函数依赖于表象。
之后，引入投影算符，讨论了不同表象下的态矢展开，尤其是位置和动量表象，并顺带解决了观测值问题。
接着，用投影算符统一了态矢内积与函数内积。
最后，简单介绍了一些矩阵力学的内容。
1.表象：完备基的选择不唯一。
因此可以选用不同的完备基把态矢量展开。
除了态矢量，算符在不同表象下的具体表示也不同。
因此，我们把态矢量和算符的具体表示方式统称为表象 ①使用力学量表象：我们还知道每个力学量对应的（厄米）算符的本征矢都构成一组完备基。
若选用算符G 的（已经标准正交化（离散谱）或规格正交化（连续谱））的本征矢作为态空间的基，就称为使用G 表象的描述②波函数：把态矢展开式中各项的系数（“坐标”）定义为G 表象下的波函数③本征函数与本征矢的关系：设本征方程ψ=ψλQˆ又可写作()()G Q G Q ψψ=ˆ 则两边乘G 有()()ψ===ψ=ψ=ψQ G Q G Q G Q Q G QG ˆˆˆψψ 因此：本征函数()ψ=G G ψ就是Q ˆ的本征态ψ在表象G ˆ下的“坐标”（波函数） 如果离散谱：()ψ=i i G ψ就是Q ˆ的本征态ψ在表象G ˆ的iG 方向上的“坐标” ④结论：算符和态矢量的抽象符号表示不依赖于表象，具体形式依赖于表象选择但本征函数和波函数相当于“坐标”，依赖于态矢（向量）和表象（基）*注意：第二章在展开态矢量、写算符和本征函数时使用都是位置表象（也称坐标表象）2.投影算符：我们将使用这个算符统一函数与矢量的内积符号（1）投影算符：令()()连续谱离散谱dG G Gi i Pi⎰∑==ˆ，称为投影算符（2）算符约定：求和或积分遍历算符G 的标准（或规格）完备正交基矢量（3）本征方程：ψ=ψ=ψI Pˆˆ，表明投影算符就是单位算符 （4）单位算符代换公式：()()连续谱离散谱dQ G G i i I i⎰∑==ˆ3.不同表象下的态矢量展开和波函数：①离散谱：∑=ii iF Fψψ，ψψi i F =为Fˆ表象下的波函数 {}i ψ可表示为一列矩阵，第i 行元素就是ψψi i F =观测值恰为i Q 的概率：用Qˆ表象展开∑=ii i Q Q ψψ，22Pr ψψi i Q ob ==概率归一等价于波函数归一∑==ii 12ψψψ算符Qˆ的观测平均值：ψψψQ Q Q ii i ˆˆ2==∑②连续谱：⎰==dG G GIψψψˆ，ψψG =称为Gˆ表象下的波函数观测值落在dQ Q Q +~范围内的概率：用Qˆ表象展开⎰=dQ Q Qψψ，dQ Q dQ ob 22Pr ψψ==，满足概率归一⎰=12dQ ψ算符Qˆ的观测平均值：()()ψψψQ dQ Q Q Q ˆ,ˆ2==⎰③本征函数和态矢量的内积统一：设f f =，g Q g =，有()g f gdQ f dQ g Q f Q dQ g Q f g I f g f ,ˆ**=====⎰⎰⎰结论：量子态g f 在同一表象Q 下投影得波函数g f ,，则()g f g f ,=算符对本征函数作用：()()ϕψϕψϕψϕψϕψQ Q QQ Qˆˆˆ,ˆˆ,==== 示例：()ϕψϕψϕψϕψϕψϕψp dx pdx x p dx p x x p I pˆ,ˆˆˆˆˆˆ**=====⎰⎰⎰④位置表象与动量表象：4.力学量的测量值问题：①当待测系统处于算符本征态：此时ψ=ψQ Qˆ，对系统中所有粒子的测量结果都是本征态ψ对应的本征值i Q ，显然i Q 的统计平均值还是i Q ，iQ Q =ˆ。
量子力学讲义第三章讲义第三章力学量用算符表达§3.1算符的运算规则一、算符的定义：算符代表对波函数进行某种运算或变换的符号。
vAu表示把函数u变成v，就是这种变换的算符。
为强调算符的特点，常常在算符的符号上方加一个“^”号。
但在不会引起误解的地方，也常把“^”略去。
二、算符的一般特性1、线性算符满足如下运算规律的算符，称为线性算符(cc)cAA112211c2A2其中c1,c2是任意复常数，1,2是任意两个波函数。
i，例如：动量算符p单位算符I是线性算符。
2、算符相等对体系的任何波函数的运算结果都相同，即A相等记为B，则算符和算符B若两个算符、BBA3、算符之和B称为算符之对体系的任何波函数有：(ACBB，则A)AC若两个算符、B和。
B，ABA(B)(ABC)CA4、算符之积，定义为之积，记为AB算符与B)A(B)C(ABBA是任意波函数。
一般来说算符之积不满足交换律，即AB5、对易关系BA，则称与B不对易。
若ABB，则称与BBA对易。
若ABA和B，则称A反对易。
若算符满足AB某i例如：算符某,p不对易某1某某(i证明：(1)某p)i某某某某某(i(2)p)某ii某某某显然二者结果不相等，所以：某p某某某p某p某某)i(某p因为是体系的任意波函数，所以某p某某i对易关系某p同理可证其它坐标算符与共轭动量满足zpzziypyyi，zpyp但是坐标算符与其非共轭动量对易，各动量之间相互对易。
ypy某0yp某p某z0某p某y0某pzp，，zppz0yppy0yz某pzpz某0zyzp某p某pz0ypzpzpy0，p某pypyp某0，ppy某0，pzp某p某pz0ypzpzpy0，p某y写成通式(概括起来)：p某i(1)某p某某某0某ppp0其中,某,y,z或1,2,3p量子力学中最基本的对易关系。
对易，B与对易，不能推知与对易与否。
注意：当与B6、对易括号(对易式)为了表述简洁，运算便利和研究量子力学与经典力学的关系，人们定义了对易括号：,BBA]AB[A这样一来，坐标和动量的对易关系可改写成如下形式：]i[某,p不难证明对易括号满足下列代数恒等式：,B]][B,A1)[A,B][A,B,C]C][A2)[A,kB,B,BC,C][A,B，[AB,C]A[B][A,C]B]k[A]]B[A]C,C，[A3)[A,[B]][B,A]][C,[A,B,C,[C]]0——称为Jacobi恒等式。
第三章 力学量用算符表达§3.1 算符的运算规则一、算符的定义：算符代表对波函数进行某种运算或变换的符号。
ˆAuv = 表示Â把函数u 变成 v ， Â就是这种变换的算符。
为强调算符的特点，常常在算符的符号上方加一个“^”号。
但在不会引起误解的地方，也常把“^”略去。
二、算符的一般特性 1、线性算符满足如下运算规律的算符Â，称为线性算符11221122ˆˆˆ()A c c c A c A ψψψψ+=+ 其中c 1, c 2是任意复常数，ψ1, ψ2是任意两个波函数。
例如：动量算符ˆpi =-∇， 单位算符I 是线性算符。
2、算符相等若两个算符Â、ˆB对体系的任何波函数ψ的运算结果都相同，即ˆˆA B ψψ=，则算符Â和算符ˆB 相等记为ˆˆAB =。
3、算符之和若两个算符Â、ˆB对体系的任何波函数ψ有：ˆˆˆˆˆ()A B A B C ψψψψ+=+=，则ˆˆˆA B C +=称为算符之和。
ˆˆˆˆAB B A +=+，ˆˆˆˆˆˆ()()A BC A B C ++=++ 4、算符之积算符Â与ˆB之积，记为ˆˆAB ，定义为 ˆˆˆˆ()()ABA B ψψ=ˆC ψ= ψ是任意波函数。
一般来说算符之积不满足交换律，即ˆˆˆˆABBA ≠。
5、对易关系若ˆˆˆˆABBA ≠，则称Â与ˆB 不对易。
若A B B Aˆˆˆˆ=，则称Â与ˆB 对易。
若算符满足ˆˆˆˆABBA =-， 则称ˆA 和ˆB 反对易。
例如：算符x , ˆx pi x∂=-∂不对易证明：(1) ˆ()x xpx i x ψψ∂=-∂i x x ψ∂=-∂ (2) ˆ()x px i x x ψψ∂=-∂i i x xψψ∂=--∂ 显然二者结果不相等，所以：ˆˆx x xpp x ≠ ˆˆ()x x xpp x i ψψ-= 因为ψ是体系的任意波函数，所以ˆˆx x xpp x i -= 对易关系 同理可证其它坐标算符与共轭动量满足ˆˆy y ypp y i -=，ˆˆz z zp p z i -= 但是坐标算符与其非共轭动量对易，各动量之间相互对易。
ˆˆ0ˆˆ0y y z z xp p x xp p x -=⎧⎨-=⎩，ˆˆ0ˆˆ0x x z z yp p y yp p y -=⎧⎨-=⎩，ˆˆ0ˆˆ0x x y y zpp z zp p z -=⎧⎪⎨-=⎪⎩ˆˆˆˆ0x y y x pp p p -=，ˆˆˆˆ0y z z y p p p p -=，ˆˆˆˆ0z x x z p p p p -= ˆˆˆˆ0xyyx -=，ˆˆˆˆ0y z z y p p p p -=，ˆˆˆˆ0z x x z p p p p -= 写成通式(概括起来)：ˆˆx pp x i αββααβδ-= (1) ˆˆˆˆ0xx x x αββα-= ˆˆˆˆ0pp p p αββα-= 其中,,,x y z αβ=或1,2,3 量子力学中最基本的对易关系。
注意：当Â与ˆB对易，ˆB 与Ĉ对易，不能推知Â与Ĉ对易与否。
6、对易括号(对易式)为了表述简洁，运算便利和研究量子力学与经典力学的关系，人们定义了对易括号：ˆˆˆˆˆˆ[,]AB AB BA ≡- 这样一来，坐标和动量的对易关系可改写成如下形式：ˆ[,]x pi αβαβδ= 不难证明对易括号满足下列代数恒等式：1) ˆˆˆˆ[,][,]AB B A =- 2) ˆˆˆˆˆˆˆ[,][,][,]AB C A B A C +=+ 3) ˆˆˆˆˆˆˆˆˆ[,][,][,]ABC B A C A B C =+ ，ˆˆˆˆˆˆˆˆˆ[,][,][,]AB C A B C A C B =+，]ˆ,ˆ[]ˆ,ˆ[B A k B k A = 4) ˆˆˆˆˆˆˆˆˆ[,[,]][,[,]][,[,]]0AB C B C A C A B ++= ——称为 Jacobi 恒等式。
角动量的对易式：(1)在直角坐标系中角动量算符的对易关系角动量算符ˆˆˆˆˆx x y y z zl r p i r l e l e l e =⨯=-⨯∇=++ ˆl 在直角坐标中的三个分量可表示为ˆˆˆ()xz y l yp zp i y z z y∂∂=-=--∂∂ ˆˆˆ()y x z l zp xp i z x x z ∂∂=-=--∂∂ ˆˆˆ()zy x l xp yp i x y y x∂∂=-=--∂∂ ˆˆˆ[,]x y z l l i l =，ˆˆˆ[,]y z x l l i l =，ˆˆˆ[,]z x y l l i l = （要求会证明）⇒ˆˆˆl l i l ⨯=ˆˆˆl l i l ⨯= 是角动量算符的定义式。
ˆˆˆ[,]l l i l αβαβγγε=式中εαβγ称淡Levi-Civita 符号，是一个三阶反对称张量，定义如下：1231αβγβαγαγβεεεε=-=-⎧⎨=⎩其中,,,x y z αβ=或1,2,3证明：ˆ[,]x l i x αβαβγγε=或 ˆ[,]l x i x αβαβγγε= ,,,x y z αβ=ˆˆˆ[,]pl i p αβαβγγε= 或 ˆˆˆ[,]l pi p αβαβγγε= 2ˆˆ[,]0l l α=(2)在球坐标系中角动量算符的对易关系ˆ(sin cos )xl i ctg ϕθϕθϕ∂∂=+∂∂ ˆ(cos sin )yl i ctg ϕθϕθϕ∂∂=--∂∂ ˆzl i ϕ∂=-∂ 22211ˆ[(sin )]sin sin l θθθθθϕ∂∂∂=-+∂∂∂2ˆˆˆˆ,,x y z l l l l 和只与θ,ϕ 有关，与r 无关，而且ˆz l 只与ϕ 有关。
2222222z y x ∂∂+∂∂+∂∂=∇ 2222222sin 1)(sin sin 1)(1ϕθθθθθ∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂=r r r r r r 或 222222ˆˆr pl r ∇=--22222ˆˆr p l r=--其中),1(ˆr r i pr +∂∂= )(1ˆ2222r r rr p r ∂∂∂∂-= ，r pˆ可称为径向动量算符。
(3)角动量升降阶算符 (I) 定义ˆˆˆx y l l il +=+，ˆˆˆx y l l il -=-显然有如下性质ˆl ++ˆl -=， ˆˆl l +-+=这两个算符不是厄密算符。
(II) 对易关系ˆˆ[,]z l l ±ˆl ±=±， 2ˆˆ[,]0l l ±=，22ˆˆˆˆˆz z l l l l l +-=-+，22ˆˆˆˆˆz z l l l l l -+=--7、逆算符(1). 定义: 设Âψ=φ, 能够唯一的解出ψ， 则可定义算符Â之逆Â-1为: 1ˆAφψ-= (2).性质I: 若算符Â之逆Â-1存在，则11ˆˆˆˆAA A A I --==, 1ˆˆ[,]0AA -= (3).性质II: 若Â,ˆB均存在逆算符, 则 111ˆˆˆˆ()ABB A ---= 8、算符函数设给定一函数F (x )，其各阶导数均存在，其幂级数展开收敛()0(0)()!n nn F F x x n ∞==∑则可定义算符Â的函数F (Â)为:()(0)ˆˆ()!n nn F F A A n ∞==∑ 补充：定义一个量子体系的任意两个波函数(态) ψ与ϕ的“标积” *(,)d ψϕτψϕ=⎰d τ⎰是指对体系的全部空间坐标进行积分，d τ是坐标空间体积元。
例如对于一维粒子：d dx τ∞-∞=⎰⎰对于三维粒子：d dxdydz τ+∞-∞=⎰⎰⎰⎰可以证明*11221122**11221122(,)0(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)c c c c c c c c ψψψϕϕψψϕϕψϕψϕψψϕψϕψϕ≥⎧⎪=⎪⎨+=+⎪⎪+=+⎩9、转置算符算符Â的转置算符ˆA定义为 **ˆˆd A d A τψϕτϕψ=⎰⎰即 **ˆˆ(,)(,)AA ψϕϕψ= 式中ψ和ϕ是两个任意波函数。
例如：x x∂∂=-∂∂（证明） ˆˆx x pp =- 可以证明：ˆˆˆˆ()ABBA = 10、复共轭算符算符Â的复共轭算符Â*就是把Â表达式中的所有量换成其复共轭。
但应注意，算符Â的表达式与表象有关。
11、厄米共轭算符算符Â之厄米共轭算符Â+定义为：**ˆˆ()d Ad A τψϕτψϕ+=⎰⎰或 ˆˆ(,)(,)A A ψϕψϕ+= 厄密共轭算符亦可写成：*ˆˆAA += 可以证明: ˆˆˆˆ()AB B A +++= ˆˆˆˆˆˆ()ABCCB A ++++=12、厄米算符 (自共轭算符)(1). 定义： 满足下列关系的算符称为厄米算符.**ˆˆ()d A d Aτψϕτψϕ=⎰⎰ˆˆ(,)(,)A A ψϕψϕ= 或 ˆˆAA += (2). 性质性质 I ：两个厄密算符之和仍是厄密算符。
性质 II ：两个厄密算符之积一般不是厄密算符, 除非二算符对易。
三、算符的本征方程如果算符Â作用于函数ψ的结果，等于某一常数λ乘以ψ，即ˆAψλψ= (2) 那么称λ为算符Â的本征值，ψ为算符Â的属于本征值λ的本征函数。
方程(2)称为算符Â的本征方程。
§3.2 动量算符和角动量算符一、动量算符∇-=i pˆ 1、动量算符的厄密性（证明）2、动量算符本征方程)()(ˆr p r p pp ψψ=，即()()p p i r p r ψψ-∇= 采用分离变量法，令：()()()()p r x y z ψψψψ=代入动量本征方程()()p p i r p r ψψ-∇= ⇒()()()()p r x y z ψψψψ=()()()x y z p p p x y z ψψψ=123x y z iiip xp yp zc ec ec e=ip rce⋅= (1)p 可取任意实数值，即动量算符的本征值p 组成连续谱，相应的本征函数为(1)式所表示的)(r pψ，这正是自由粒子的de Broglie 波的空间部分波函数。
(2).归一化系数的确定 ①、归一化为 δ 函数 取2/3)2(-= πc ，则)(r pψ归一化为δ函数，*()()()p p r r d p p ψψτδ∞'-∞'=-⎰(2) r p ipe r⋅=2/3)2(1)(πψ （3） 一维情况：x p i p x x erπψ21)(=②、箱归一化——P70-72（略去不讲）箱归一化方法仅对平面波适用，而归一化为δ函数方法对任何连续谱都适用。
