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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 、ψα

i 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221122112121;;ψψψψψψα

α

i 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 两点的相对概率

=

2

221)

()(x x ψψ=

2

221)

()(x k x k ψψ2

221)

()(x e x e i i ψψαα

,故ψ与ψk 、ψα

i 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

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 2122221

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

000

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

/2

2p 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

00

0)(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 mn 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,()

0100122**=-=?

??

? ?????? ??-==+b a b a b a z z χσχσ 设δi e b a 21,21==

,得???

? ??=δχi e 121; 再由0cos 0=?=δσx

0sin 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。

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

量子力学考试题

量子力学考试题 (共五题,每题20分) 1、扼要说明: (a )束缚定态的主要性质。 (b )单价原子自发能级跃迁过程的选择定则及其理论根据。 2、设力学量算符(厄米算符)∧ F ,∧ G 不对易,令∧K =i (∧F ∧G -∧G ∧ F ),试证明: (a )∧ K 的本征值是实数。 (b )对于∧ F 的任何本征态ψ,∧ K 的平均值为0。 (c )在任何态中2F +2 G ≥K 3、自旋η/2的定域电子(不考虑“轨道”运动)受到磁场作用,已知其能量算符为 S H ??ω= ∧ H =ω∧ z S +ν∧ x S (ω,ν>0,ω?ν) (a )求能级的精确值。 (b )视ν∧ x S 项为微扰,用微扰论公式求能级。 4、质量为m 的粒子在无限深势阱(0

(a )能量有确定值。力学量(不显含t )的可能测值及概率不随时间改变。 (b )(n l m m s )→(n’ l’ m’ m s ’) 选择定则:l ?=1±,m ?=0,1±,s m ?=0 根据:电矩m 矩阵元-e → r n’l’m’m s ’,n l m m s ≠0 2、(a )6分(b )7分(c )7分 (a )∧ K 是厄米算符,所以其本征值必为实数。 (b )∧ F ψ=λψ,ψ∧ F =λψ K =ψ∧ K ψ=i ψ∧F ∧ G -∧ G ∧F ψ =i λ{ψ∧ G ψ-ψG ψ}=0 (c )(∧F +i ∧G )(∧F -i ∧G )=∧ F 2 +∧ G 2 -∧ K ψ(∧F +i ∧G )(∧F -i ∧G )ψ=︱(∧ F -i ∧ G )ψ︱2≥0 ∴<∧ F 2 +∧ G 2-∧ K >≥0,即2F +2 G ≥K 3、(a),(b)各10分 (a) ∧ H =ω∧ z S +ν∧ x S =2ηω[1001-]+2ην[0110]=2η[ων ν ω -] ∧ H ψ=E ψ,ψ=[b a ],令E =2η λ,则 [λωννλω---][b a ]=0,︱λων ν λω---︱ =2λ-2ω-2ν=0 λ=±22νω+,E 1=-2η22νω+,E 2=2η 22νω+ 当ω?ν,22νω+=ω(1+22ων)1/2≈ω(1+222ων)=ω+ων22 E 1≈-2η[ω+ων22],E 2 =2η [ω+ων22] (b )∧ H =ω∧z S +ν∧ x S =∧H 0+∧H ’,∧ H 0=ω∧ z S ,∧ H ’=ν∧ x S ∧ H 0本征值为ωη21± ,取E 1(0)=-ωη21,E 2(0) =ωη21 相当本征函数(S z 表象)为ψ1(0)=[10],ψ2(0)=[01 ] 则∧ H ’之矩阵元(S z 表象)为

从经典力学到量子力学的思想体系探讨

从经典力学到量子力学的思想体系探讨 一、量子力学的产生与发展 19世纪末正当人们为经典物理取得重大成就的时候,一系列经典理论无法解释的现象 一个接一个地发现了。德国物理学家维恩通过热辐射能谱的测量发现的热辐射定理。德国物理学家普朗克为了解释热辐射能谱提出了一个大胆的假设:在热辐射的产生与吸收过程中能量是以 h为最小单位,一份一份交换的。这个能量量子化的假设不仅强调了热辐射能量的不连续性,而且与辐射能量和频率无关由振幅确定的基本概念直接相矛盾,无法纳入任何一个经典范畴。当时只有少数科学家认真研究这个问题。 著名科学家爱因斯坦经过认真思考,于1905年提出了光量子说。1916年美国物理学家密立根发表了光电效应实验结果,验证了爱因斯坦的光量子说。 1913年丹麦物理学家玻尔为解决卢瑟福原子行星模型的不稳定(按经典理论,原子中 电子绕原子核作圆周运动要辐射能量,导致轨道半径缩小直到跌落进原子核,与正电荷中和),提出定态假设:原子中的电子并不像行星一样可在任意经典力学的轨道上运转,稳定轨道的作用量fpdq必须为h的整数倍(角动量量子化),即fpdq=nh,n称之为量子数。玻尔又提出原子发光过程不是经典辐射,是电子在不同的稳定轨道态之间的不连续的跃迁过程,光的频率由轨道态之间的能量差△E=hV确定,即频率法则。这样,玻尔原子理论以它简单明晰的图像解释了氢原子分立光谱线,并以电子轨道态直观地解释了化学元素周期表,导致了72号元素铅的发现,在随后的短短十多年内引发了一系列的重大科学进展。这在物理学史 上是空前的。 由于量子论的深刻内涵,以玻尔为代表的哥本哈根学派对此进行了深入的研究,他们对对应原理、矩阵力学、不相容原理、测不准关系、互补原理。量子力学的几率解释等都做出了贡献。 1923年4月美国物理学家康普顿发表了X射线被电子散射所引起的频率变小现象,即 康普顿效应。按经典波动理论,静止物体对波的散射不会改变频率。而按爱因斯坦光量子说这是两个“粒子”碰撞的结果。光量子在碰撞时不仅将能量传递而且也将动量传递给了电子,使光量子说得到了实验的证明。 光不仅仅是电磁波,也是一种具有能量动量的粒子。1924年美籍奥地利物理学家泡利 发表了“不相容原理”:原子中不能有两个电子同时处于同一量子态。这一原理解释了原子中电子的壳层结构。这个原理对所有实体物质的基本粒子(通常称之为费米子,如质子、中

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

中国人民大学《617量子力学》考研真题详解

中国人民大学《617量子力学》考研真题详解 2021年中国人民大学理学院物理系《617量子力学》考研全套 目录 ?全国名校量子力学考研真题汇编 ?2021年量子力学考研真题精解精析50题 说明:本科目考研真题不对外公布(暂时难以获得),通过分析参考教材知识点,精选了有类似考点的其他院校相关考研真题,以供参考。 2.教材教辅 ?曾谨言《量子力学教程》(第3版)配套题库【名校考研真题+课后习题+章节题库+模拟试题】 ?曾谨言《量子力学导论》(第2版)网授精讲班【39课时】说明:以上为本科目参考教材配套的辅导资料。

? 试看部分内容 2021年量子力学考研真题精解精析50题1当前冷原子物理研究非常活跃,在实验中,粒子常常是被束缚 在谐振子势中,因此其哈密顿量为。假设粒子间有相互作用,其中分别代表粒子1和粒子2的自旋,参数J>0。 (1)如果把两个自旋1/2的全同粒子放在上述势阱中,试写出基态能量和基态波函数; (2)如果把两个自旋1的全同粒子放在上述势阱中,试写出基态能量和基态波函数。(注意:参数在不同范围内,情况会不同) [浙江大学2014研]【解题思路】 ①研究体系处在线性谐振子势场中,有关单个体系在谐振子势中 的问题,一般可以通过求解薛定谔方程得出相应的本征波函数和本征能量,确定体系的波函数,研究对象的量子状态、对其进行测量可得到的测量值的大小和几率等问题,都可以一一解决。 ②研究体系内包含两个粒子,它们之间存在自旋-自旋相互作用, 利用角动量的合成来解决这部分相互作用引出的相关问题。

③在两个问题中,涉及到不同自旋的粒子,即玻色子和费米子,可以通过它们满足的统计性质来决定在势场中的分布情况,从而解决要求的基态能量和波函数。 【解析】 (1)对于处在线性谐振子势中粒子的哈密顿量 由薛定谔方程 得本征能量为 本征波函数为 两粒子间有相互作用 设 因此 即

量子力学与能带理论

量子力学与能带理论 孟令进 专业: 应用物理 班级:1411101 学号:1141100117 摘要:曾谨言先生在《量子力学》一书中用量子力学解释了能带的形成,从定态薛定谔方程出发,将原子中原子实假定固定不动,并且在结构上呈现周期性排列,那么电子则可以看成在原子实以及其他电子的周期性的势场中运动,利用定态薛定谔方程可以解出其能级结构,从而得到能带理论。 一、定态薛定谔方程 1.一维定态薛定谔方程 我们首先利用薛定谔方程解决一类简单的问题,一维定态问题,即能量一定的状态。我们设粒子质量为m ,沿着x 方向运动,势场的势能为V(x),那么薛定谔方程可以写为 ),()(2),(222t x x V x m t x t i ψψ?? ????+??-=?? ,因为处于一定的能量E 状态,定态的波函数可以写为 /)(),(iEt e x t x -=ψψ,两式整理可得,)(x ψ满足的能量本征方程)(),()(2222x E t x x V x m ψψ=?? ????+??- ,或称为一维定态薛定谔方程。求解这个方程时,我们需要带入边界条件,连接条件。 2.定态薛定谔方程与方势垒 在经典力学当中,当一个具有能量E 的粒子射向高度为V 的势垒时,如果E>V ,则粒子能够顺利的越过这个势垒,如果E0的粒子从左方入射,那么在前两个区域的波函数可以用一维定态薛定谔方程解除来,结果如下:

量子力学和经典力学联系的实例分析

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持. 量子力学与经典力学的联系的实例分析 摘要:量子力学与经典力学研究的对象不同,范围不同,二者之间是不是不可逾越的?当然不是,在一定条件下,二者可以过渡.本文首先对量子力学和经典力学的关系进行了分析,其次通过具体的实例来说明量子力学过渡到经典力学的条件,最后分析出从运动学角度,经典力学向量子力学过渡可归结为从泊松括号向对易得过渡.

关键词:量子力学;经典力学;过渡 从高中到大学低年级,我们所涉及的物理学内容均为经典物理学范畴,经典物理学理论在宏观低速范围内已是相当完善,正如十九世纪末一些物理学家所描述的那样,做机械运动的物体,当运动速度小于真空中的光速时准确地遵从牛顿力学规律;分子热运动的规律有完备的热力学和统计力学理论;电磁运动有麦克斯韦方程加以描述;光的现象有光的波动理论,整个物理世界的重要规律都已发现,以后的工作只要重复前人的实验,提高实验精度,在测量数据后面多添加几个有效数字而已.正因如此为何在学完经典物理学以后还要继续学习近代物理学,如何引入近代物理学就显得格外重要. 毫无疑问近代物理学的产生是物理学上号称在物理学晴朗的天空上“两朵小小的乌云”造成的[1],正是这引发了物理学的一场大革命.这“两朵小小的乌云”即黑体辐射实验和迈克尔逊-莫雷实验.1900年为了解释黑体辐射实验,普朗克能量子的假设,导致了量子理论思想的萌芽,接着光电效应、康普顿效应以及原子结构等一系列问题上,经典物理都碰到了无法克服的困难,通过引入量子化思想,这些问题都迎刃而解,这就导致了描述微观世界的理论-量子力学的建立. 在经典物理十分成熟、完备的情况下引入静近代物理学,毫无疑问必须强调以下问题:(1)经典物理学的适用范围是宏观低速运动;(2)19世纪末20世纪初,物理学已经研究到微观现象和高速运动的新阶段;(3)新的研究范畴必须引入新的理论,这样,近代物理学的出现也就顺理成章了. 尽管强调经典物理学的适用范围是宏观低速运动,但碰到微观高速问题,人们依旧习惯于首先用已知非常熟悉的经典物理来解决物理学家如此,我们也不例外.无疑用经典物理学去解决高速微观问题最终必将以失败而告终.然而在近代物理学课程的研究中有意识地首先让经典物理学去碰壁,去得出结论,但结论是矛盾的和错误的,然后,引出近代物理学的有关理论,问题最后迎刃而解[2]. 经典物理学是在宏观和低速领域物理经验的基础上建立起来的物理概念和理论体系,其基础是牛顿力学和麦克斯韦电磁学.近代物理学则是在微观和高速领域物理实验的基础上建立起来的概念和理论体系,其基础是相对论和量子力学,必须指出,在相对论和量子力学建立以后的当代物理学研究中.虽然大量的是近代物理学问题,但也有不少属于经典物理学问题.因此不能说有了近代物理学就可抛弃经典物理学. 量子力学是物理学研究的经验扩充到微观领域的结果.因此,量子力学的建立必然是以经典力学为基础,它们之间存在必然的联系,量子力学修改了物理学中关于物理世界的描述以及物理规律陈述的基本概念.量子力学关于微观世界的各种规律的研究给

结构化学练习之量子力学基础习题附参考答案

结构化学练习之量子力学基础习题附参考答案

量子力学基础习题 一、填空题(在题中的空格处填上正确答案)1101、光波粒二象性的关系式为_______________________________________。1102、德布罗意关系式为____________________;宏观物体的λ值比微观物体的λ值_______________。1103、在电子衍射实验中,│ψ│2对一个电子来说,代表___________________。 1104、测不准关系是_____________________,它说明了_____________________。 1105、一组正交、归一的波函数ψ1,ψ2,ψ3,…。 正交性的数学表达式为,归一性的表达式为。1106、│ψ(x1,y1,z1,x2,y2,z2)│2

代表______________________。 1107、物理量xp y- yp x的量子力学算符在直角坐标系中的表达式是_____。 1108、质量为m的一个粒子在长为l的一维势箱中运动, (1)体系哈密顿算符的本征函数集为_______________________________ ; (2)体系的本征值谱为____________________,最低能量为____________ ; (3)体系处于基态时,粒子出现在0 ─l/2间的概率为_______________ ; (4)势箱越长,其电子从基态向激发态跃迁时吸收光谱波长__________ ; (5)若该粒子在长l、宽为2l的长方形势箱

中运动, 则其本征函数集为____________,本征 值 谱 为 _______________________________。 1109、质量为m 的粒子被局限在边长为a 的立方箱中运动。波函数ψ 211(x ,y ,z )= _________________________;当粒子处于状态 ψ 211 时,概率密度最大处坐标是 _______________________;若体系的能量为 2 247ma h ,其简并度是_______________。 1110、在边长为a 的正方体箱中运动的粒子,其能级E = 2 243ma h 的简并度是_____,E '= 2 2827ma h 的简 并度是______________。 1111、双原子分子的振动,可近似看作是质量为μ= 2 121m m m m +的一维谐振子,其势能为V =kx 2/2,它 的 薛 定 谔 方 程 是

经典力学与量子力学中的一维谐振子

经典力学与量子力学中的一维谐振子 物理与电子信息工程学院物理学 [摘要]一维谐振动是一种最简单的振动形式,许多复杂的运动都可分析为一维谐振动。本文以一维谐振子为研究对象,首先讨论经典力学与量子力学中的一维谐振子的运动方程和能量特征,然后分析坐标表象以及粒子数表象下的一维谐振子,最后讨论经典力学与量子力学中的一维谐振子的区别与联系。 [关键词]谐振子经典力学量子力学运动方程能量分布 1 前言 所谓谐振,在运动学中就是简谐振动。一个劲度系数为k的轻质弹簧的一端固定,另一端固结一个可以自由运动的质量为m的物体,就构成一个弹簧振子[1]。该振子是在一个位置(即平衡位置)附近做往复运动。在这种振动形式下,物体受力的大小总是和它偏离平衡位置的距离成正比,并且受力方向总是指向平衡位置。这种情况即为一维谐振子。 一维谐振子在应用上有很大价值,因为经典力学告诉我们只要选择适当的坐标,任意粒子体系的微小振动都可以认为是一些相互独立的振子的运动的集合。普朗克在他的辐射理论中将辐射物质的中心当作一些谐振子,从而得到和实验相符合的结果。在分子光谱中,我们可以把分子的振动近似地当作谐振子的波函数。另外在量子场论中电磁场的问题也能归结成谐振子的形式。因此在量子力学中,谐振子问题的地位较经典物理中来得重要。应用线性谐振子模型可以解决许多量子力学中的实际问题。 本文将以一维谐振子为研究对象,首先分别讨论经典力学与量子力学中一维谐振子的运动方程和能量特征,然后讨论坐标表象以及粒子数表象下的一维谐振子,最后分析经典力学与量子力学中的一维谐振子的区别与联系并简要讨论经典力学与量子力学的过渡问题。从而帮助我们更加深入的理解一维谐振子的物理实质,充分认识微观粒子的波粒二象性。

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+=

哈工大考研量子力学试题

2.2.3 2008年真题 【题目】1. 轨道角动量的三个分量x L ,y L 和z L 是否有共同本征态?若果有, 写出一个来;如果没有,请说明为什么 【解题】 没有,^^^ ,x y z L L i L ?? =???? 不对易,故无共同本征态 【分析】 本题考察两个算符具有共同本征态的条件——两个算符对易。属于 基础概念的考核。对易这一概念是量子力学考试中肯定会出现的概念,通常穿插在答题中间,对常用的对易关系一定要做到熟练运用,记忆的程度。 【题目】2. 已知哈密顿量2 21()2H V r μ =- ?+的本征值为n E ,相应的本征函数 为()n r ?,求2 22()2H V r C μ =- ?++的本征值和本征函数(C 为常数)。 【解题】 ^ 1^^^ 211()() ()()()()()()()()() n n n n n n n n n n n n H r E r H r H C r H r C r E r C r E C r ?????????==+=+=+=+ 由上式知,^ 2H 的本征函数为()n r ?,本征值为n E C + 【分析】首先写出哈密顿量的本征方程,通过两个不同哈密顿量的关系可以得出 相关结果

【题目】3. 计算对易关系2[,]?;[,]?z x y z p L L iL L =+= 【解题】 (1) 22^^^^^^^^^^^^ ^^ ^^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ,,,,()()()0 z z z z y x y x y x x y y x x y p L L p L p p p L p i p i i p j p p i p i i p j i p p p p p p p p ????????=-=--???????? ???????????? =----=--+-= (2) ^^^^^^^^^ ,,,x y z x z y z y x L i L L L L i L L i L i L ?????? +=+=+???????????? 【分析】本题需要掌握常见量子算符的对易关系,比如坐标与动量、动量与 动量、角动量与动量,并且有关对易几条性质得知道,比如 ?? ? ???+??????=??????∧∧∧∧∧∧∧∧∧C A B C B A C ,,B A ,,能将复杂的算符用一些简单并且我们所熟知的算符表示出来,并化简得出结果 【题目】4. 利用不确定关系估算线性谐振子的基态能量。 【解题】 2222 (),()x x x p p p =-=- 对线性谐振子 0x p == 2222,x x p p ∴==

量子力学的发展史及其哲学思想

十九世纪末期,物理学理论在当时看来已发展到相当完善的阶段.那时,一般的物理现象都可以从相应的理论中得到说明:物体的机械运动比光速小的多时,准确地遵循牛顿力学的规律;电磁现象的规律被总结为麦克斯韦方程;光的现象有光的波动理论,最后也归结为麦克斯韦方程;热的现象理论有完整的热力学以及玻耳兹曼,吉不斯等人建立的统计物理学.在这种情况下,当时有许多人认为物理现象的基本规律已完全被揭露,剩下的工作只是把这些基本规律应用到各种具体问题上,进行一些计算而已。 这种把当时物理学的理论认作”最终理论”的看法显然是错误的,因为:在绝对的总的宇宙发展过程中,各个具体过程的发展都是相对的,因而在”绝对真理的长河中,人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识具有相对的真理性.”生产力的巨大发展,对科学试验不断提出新的要求,促使科学试验从一个发展阶段进入到另一个新的发展阶段。就在物理学的经典理论取得上述重大成就的同时,人们发现了一些新的物理现象,例如黑体辐射,光电效应,原子的光谱线系以及固体在低温下的比热等,都是经典物理理论所无法解释的。这些现象揭露了经典物理学的局限性,突出了经典物理学与微观世界规律性的矛盾,从而为发现微观世界的规律打下基础。黑体辐射和光电效应等现象使人们发现了光的波粒二象性;玻尔为解释原子的光谱线系而提出了原子结构的量子论,由于这个理论只是在经典理论的基础上加进一些新的假设,因而未能反映微观世界的本质。因此更突出了认识微观粒子运动规律的迫切性。直到本世纪二十年代,人们在光的波粒二象性的启示下,开始认识到微观粒子的波粒二象性,才开辟了建立量子力学的途径。 量子力学诞生和发展的过程,是充满着矛盾和斗争的过程。一方面,新现象的发现暴露了微观过程内部的矛盾,推动人们突破经典物理理论的限制,提出新的思想,新的理论;另一方面,不少的人(其中也包括一些对突破经典物理学的限制有过贡献的人),他们的思想不能(或不完全能)随变化了的客观情况而前进,不愿承认经典物理理论的局限性,总是千方百计地企图把新发现的现象以及为说明这些现象而提出的新思想,新理论纳入经典物理理论的框架之内。虽然本书中不能详细叙述这个过程。尽管这些新现象在十九世纪末就陆续被发现,而量

渤海大学《629量子力学》考研真题详解

渤海大学《629量子力学》考研真题详解 2021年渤海大学物理科学与技术学院《629量子力学》考研全套 目录 ?全国名校量子力学考研真题汇编 说明:本科目考研真题不对外公布(暂时难以获得),通过分析参考教材知识点,精选了有类似考点的其他院校相关考研真题,以供参考。 2.教材教辅 ?周世勋《量子力学教程》(第2版)笔记和课后习题(含考研真题)详解?周世勋《量子力学教程》(第2版)配套题库【考研真题精选+章节题库】说明:以上为本科目参考教材配套的辅导资料。 ? 试看部分内容

绪论 1.1 复习笔记 在十九世纪末、二十世纪初,经典物理取得了巨大的成功,牛顿定律、麦克斯韦方程、热力学和统计力学相继建立并成功应用于物理学研究和工程,但在物理大厦落成的同时,物理学家中的有识之士也意识到了天空中漂浮的乌云。黑体辐射、光电效应和固体的比热等一系类问题是经典物理无法解释的。之后的旧量子论包括玻尔理论、爱因斯坦的光量子和德布罗意波粒二象性假说给物理学的发展带来了希望,它们也为量子力学的发展奠定了基础。现代物理学中的两大支柱(量子力学、相对论)逐步验证并解释物理实验中的现象的同时,量子力学自身也在不断完善,并发展出了电磁场量子化理论、解释光子原子相互作用的量子电动力学、应用于原子中核子相互作用的量子色动力学理论,以及当下试图对引力场解释的超弦理论。所以,不论是为了备考还是为了将来的物理学科研,学习好量子力学是十分重要的。量子力学是现代物理学的基石,也是物理科研必备的工具。 【本章重难点】 1.了解经典物理的成功和所面临的危机,以及量子力学的发展历史; 2.掌握德布罗意波粒二象性关系; 3.熟练运用玻尔-索末菲量子化条件。 一、波粒二象性(见表1-1-1)

经典力学与量子力学中的一维谐振子

经典力学与量子力学中的一维谐振子 [摘要]一维谐振动是一种最简单的振动形式,许多复杂的运动都可分析为一维谐振动。本文以一维谐振子为研究对象,首先讨论经典力学与量子力学中的一维谐振子的运动方程和能量特征,然后分析坐标表象以及粒子数表象下的一维谐振子,最后讨论经典力学与量子力学中的一维谐振子的区别与联系。 [关键词]谐振子经典力学量子力学运动方程能量分布 1 前言 所谓谐振,在运动学中就是简谐振动。一个劲度系数为k的轻质弹簧的一端固定,另一端固结一个可以自由运动的质量为m的物体,就构成一个弹簧振子[1]。该振子是在一个位置(即平衡位置)附近做往复运动。在这种振动形式下,物体受力的大小总是和它偏离平衡位置的距离成正比,并且受力方向总是指向平衡位置。这种情况即为一维谐振子。 一维谐振子在应用上有很大价值,因为经典力学告诉我们只要选择适当的坐标,任意粒子体系的微小振动都可以认为是一些相互独立的振子的运动的集合。普朗克在他的辐射理论中将辐射物质的中心当作一些谐振子,从而得到和实验相符合的结果。在分子光谱中,我们可以把分子的振动近似地当作谐振子的波函数。另外在量子场论中电磁场的问题也能归结成谐振子的形式。因此在量子力学中,谐振子问题的地位较经典物理中来得重要。应用线性谐振子模型可以解决许多量子力学中的实际问题。 本文将以一维谐振子为研究对象,首先分别讨论经典力学与量子力学中一维谐振子的运动方程和能量特征,然后讨论坐标表象以及粒子数表象下的一维谐振子,最后分析经典力学与量子力学中的一维谐振子的区别与联系并简要讨论经典力学与量子力学的过渡问题。从而帮助我们更加深入的理解一维谐振子的物理实质,充分认识微观粒子的波粒二象性。 2 经典力学中的一维谐振子 在经典力学中基本方程以牛顿定律为基础,研究质点位移随时间变化的规

量子力学和经典力学的区别与联系(完整版)

量子力学和经典力学的区别与联系 量子力学和经典力学在的区别与联系 摘要 量子力学是反映微观粒子结构及其运动规律的科学。它的出现使物理学发生了巨大变革,一方面使人们对物质的运动有了进一步的认识,另一方面使人们认识到物理理论不是绝对的,而是相对的,有一定局限性。经典力学描述宏观物质形态的运动规律,而量子力学则描述微观物质形态的运动规律,他们之间有质的区别,又有密切联系。本文试图通过解释、比较,找出它们之间的不同,进一步深入了解量子力学,更好的理解和掌握量子力学的概念和原理。 经过量子力学与经典力学的对比我们可以发现,量子世界真正的基本特性:如果系统真的从状态A跳跃到B的话,那么我们对着其中的过程一无所知。当我们进行观察的时候,我们所获得的结果是有限的,而当我们没有观察的时候系统正在做什么,我们都不知道。量子理论可以说是一门反映微观运动客观规律的学说。经典物理与量子物理的最根本区别就是:在经典物理中,运动状态描述的特点为状态量都是一些实验可以测量得的,即在理论上这些量是描述运动状态的工具,实际上它们又是实验直接可测量的量,并可以通过测量这些状态量来直接验证理论。在量子力学中,微观粒子的运动状态由波函数描述,一切都是不确定的。但是当微观粒子积累到一定量是,它们又显现出经典力学的规律。 关键字:量子力学及经典力学基本内容及理论量子力学及经典力学的区别与联系 三、目录 摘要............................................................ ............ ... ... ...... (1) 关键字.................................................................. ...... ... ... ...... (1) 正文..................................................................... ...... ... ... ...... (3) 一、量子力学及经典力学基本内容及理论...... ............ ... ............ ...... ... (3) 经典力学基本内容及理论........................... ...... ......... ...... (3) 量子力学的基本内容及相关理论.................................... ...... (3) 二、量子力学及经典力学在表述上的区别与联系.................. ...... ... ...... (4)

量子力学和经典力学的区别与联系

量子力学和经典力学在的区别与联系 摘要 量子力学是反映微观粒子结构及其运动规律的科学。它的出现使物理学发生了巨大变革,一方面使人们对物质的运动有了进一步的认识,另一方面使人们认识到物理理论不是绝对的,而是相对的,有一定局限性。经典力学描述宏观物质形态的运动规律,而量子力学则描述微观物质形态的运动规律,他们之间有质的区别,又有密切联系。本文试图通过解释、比较,找出它们之间的不同,进一步深入了解量子力学,更好的理解和掌握量子力学的概念和原理。 经过量子力学与经典力学的对比我们可以发现,量子世界真正的基本特性:如果系统真的从状态A跳跃到B的话,那么我们对着其中的过程一无所知。当我们进行观察的时候,我们所获得的结果是有限的,而当我们没有观察的时候系统正在做什么,我们都不知道。量子理论可以说是一门反映微观运动客观规律的学说。经典物理与量子物理的最根本区别就是:在经典物理中,运动状态描述的特点为状态量都是一些实验可以测量得的,即在理论上这些量是描述运动状态的工具,实际上它们又是实验直接可测量的量,并可以通过测量这些状态量来直接验证理论。在量子力学中,微观粒子的运动状态由波函数描述,一切都是不确定的。但是当微观粒子积累到一定量是,它们又显现出经典力学的规律。 关键字:量子力学及经典力学基本内容及理论量子力学及经典力学的区别与联系

目录 三、目录 摘要 (1) 关键字 (1) 正文 (3) 一、量子力学及经典力学基本内容及理论……………………………………………… 3 经典力学基本内容及理论 (3) 量子力学的基本内容及相关理论 (3) 二、量子力学及经典力学在表述上的区别与联系 (4) 微观粒子和宏观粒子的运动状态的描述 (4) 量子力学中微观粒子的波粒二象性 (5) 三、结论:量子力学与经典力学的一些区别对比 (5) 参考文献 (6)

《量子力学》考研(思考题+填空题)汇总

第一章思考题 1.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。 =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。 = 2.什么是黑体? (1)黑颜色的物体。 (2)完全吸收任何波长的外来辐射而无反射的物体。 (3)完全吸收任何波长的外来辐射而无任何辐射的物体。 (4)吸收比为1的物体。 (5)在任何温度下,对入射的任何波长的辐射全部吸收的物体。 答:(4),(5)正确。吸收比α(λ,T )=1蕴含了任何温度下,对入射的任何波长的辐射α(λ,T )均为1。 (2)是常见的黑体定义,显然,应加上“在任何温度下”才完整。 3.康普顿效应中入射光子的能量只有部分被电子吸收,这是否意味着光子在相互作用过程中是可分的? 答:光电效应中,一个电子同时吸收两个光电子的概率非常小,一个电子只吸收一个光子。另外,实测中光电发射没有可分辨出的时间延迟,这说明,电子没有能量的积累过程,即电子吸收一个光子后再吸收一个光子的概率也是非常小的。因而,截止频率的限制是必需的。 4.德布罗意关系式是仅适用与基本粒子如电子、中子之类还是同样适用于具有内部结构的复合体系? 答:德布罗意关系式是适用于一切物质的普遍关系,是波粒二象性的反映而与物质具体结构无关。因此,不仅适用于基本粒子也适用于具有内部结构的复杂体系。 5.粒子的德布罗意波长是否可以比其本身线度长或短?二者之间是否有必然联系? 答:由基本假设 λ= p h ,波长仅取决于粒子的动量而与粒子本身线度无必然联系。 6.在电子衍射实验中,单个电子的落点是无规律的,而大量电子的散落则形成了衍射图样,这是否意味着单个粒子呈现粒子性,大量粒子集合呈现波动性?

量子力学和经典力学的区别与联系

量子力学与经典力学在的区别与联系 摘要 量子力学就是反映微观粒子结构及其运动规律的科学。它的出现使物理学发生了巨大变革,一方面使人们对物质的运动有了进一步的认识,另一方面使人们认识到物理理论不就是绝对的,而就是相对的,有一定局限性。经典力学描述宏观物质形态的运动规律,而量子力学则描述微观物质形态的运动规律,她们之间有质的区别,又有密切联系。本文试图通过解释、比较,找出它们之间的不同,进一步深入了解量子力学,更好的理解与掌握量子力学的概念与原理。 经过量子力学与经典力学的对比我们可以发现,量子世界真正的基本特性:如果系统真的从状态A跳跃到B的话,那么我们对着其中的过程一无所知。当我们进行观察的时候,我们所获得的结果就是有限的,而当我们没有观察的时候系统正在做什么,我们都不知道。量子理论可以说就是一门反映微观运动客观规律的学说。经典物理与量子物理的最根本区别就就是:在经典物理中,运动状态描述的特点为状态量都就是一些实验可以测量得的,即在理论上这些量就是描述运动状态的工具,实际上它们又就是实验直接可测量的量,并可以通过测量这些状态量来直接验证理论。在量子力学中,微观粒子的运动状态由波函数描述,一切都就是不确定的。但就是当微观粒子积累到一定量就是,它们又显现出经典力学的规律。 关键字:量子力学及经典力学基本内容及理论量子力学及经典力学的区别与联系 目录 三、目录 摘要 (1) 关键字 (1) 正文 (3) 一、量子力学及经典力学基本内容及理论……………………………………………… 3 1、1 经典力学基本内容及理论 (3) 1、2 量子力学的基本内容及相关理论 (3) 二、量子力学及经典力学在表述上的区别与联系 (4) 2、1 微观粒子与宏观粒子的运动状态的描述 (4) 2、2 量子力学中微观粒子的波粒二象性 (5) 三、结论:量子力学与经典力学的一些区别对比 (5) 参考文献 (6) 量子力学与经典力学在的区别与联系 一、量子力学及经典力学基本内容及理论 1、1经典力学基本内容及理论 经典力学就是在宏观与低速领域物理经验的基础上建立起来的物理概念与理论体

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