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练习 32.1 为什么v s r b b b ⋅⋅⋅ 的完全性关系(30.11)式(将其中积分理解为取和)与⋅⋅⋅⋅⋅⋅l n n n 21的完全性关系(32.8)式都等于1？根据(32.5)式，这两个基矢不是相差一个常数因子吗？（梁立欢）解 比照v s r b b b ⋅⋅⋅的完全性关系，ψ可展开为对称化基矢的叠加：⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+⋅⋅⋅=2211212211212'''1''''' ''' c n n n c n n n c n n n c c n n n c b b b c b b b l l l l v s r v s r ψ 可见⋅⋅⋅⋅⋅⋅l n n n 21的完全性关系与v s r b b b ⋅⋅⋅一致，不因相差一个常数而改变，改变的只是展开式每项前的系数。
32.2练习 32.3 从+l a 和l a 作用于基矢.......21l n n n 的公式（32.13）和（32.14）二式出发，重新证明它们的对易关系（32.15）式。
（完成人：张伟）证明：由公式（32.13）和（32.14）121...21212121...1...1.........1.........-++++=++=-=l n n n l l l l l l l l l l l n n n n n n n a n n n n n n n a εεεε其中()()12111211211121.........212121121121......)1(...212121...1...1...11...1......1.........ln ......)1(...ln ...1...1...11......1...1.........--'--'++++++++''''+''++'-'-''+++++++++'''''''+'+'+'=''++++''=++'=++++++++++==++++=++=l l l l n n n n n n n l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l n n n n n n n l l l l l l l l l l l l l l l l l l l n n n n n n n n n n n a n n n n a a n n n n n n n n n n n n n n n n n n a n n n n a a n n εεεεεεεεεεεεεεεεε其中即其中样的种情况得到的结论是一的前面，不难证明另一排在假设()0............1...1...11.........ln .........ln 212121121121=-=++++==''++++++++=⎪⎭⎫ ⎝⎛''+'+++'+'+'+'+''''++'''-'-''l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l a a a a a a n n n n a a n n n n n n n n n n a a n n n n n n n εεεεεεεεεεεεε的对易关系和由此得到从而有可见即类似的方法和证明过程可以证明0=-'''l l l l l l a a a a a a ε的对易关系为：和 ()()()l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l n n n n n n n l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l n n n n n n n l l l l l l l l l l l l l l l l l l l a a a a a a a a n n n n n n n n n n n a n n n a a n n n n n n n n n a n n n a a n n a a a a n n n n n n a a n n n n n n n n n n a a n n n n n n n n n n n n n n n n n n a n n n n a a n n n n n n n n n n n n n n n n n n a n n n n a a n n l l l l '+'+'+'+''+++'+'+'''+'''''+'''-'-''++++++++''''+''+'-'-''+++++++++''''''''+''=-=-=+=-=+=++===-≠=-++==''++++++++=⎪⎭⎫ ⎝⎛''=''-++''=-'=++++++++++==-++=++=≠--'--'δεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεε综合之后有，时：当得：比较上两式的结果，可时当时有：从而，当从而有可见即其中即其中时有当类似的可以证明：1......1...1...............1...1...1......0............1...1...1.........ln .........ln ...1...1...1...1...............ln ......)1(...ln ...1...1...1......1...1.........212121212121212121121121.........212121121121......)1( (2121211)2111211211121至此+l a 和l a 的对易关系（32.15）式已经全部证毕。
量⼦⼒学复习习题⼀、选择题（每⼩题3分，共15分）1．⿊体辐射中的紫外灾难表明：CA. ⿊体在紫外线部分辐射⽆限⼤的能量；B. ⿊体在紫外线部分不辐射能量；C.经典电磁场理论不适⽤于⿊体辐射公式；D.⿊体辐射在紫外线部分才适⽤于经典电磁场理论。
2．关于波函数Ψ的含义，正确的是：BA. Ψ代表微观粒⼦的⼏率密度；B. Ψ归⼀化后，ψψ*代表微观粒⼦出现的⼏率密度；C. Ψ⼀定是实数；D. Ψ⼀定不连续。
3．对于⼀维的薛定谔⽅程，如果Ψ是该⽅程的⼀个解，则：A A. *ψ⼀定也是该⽅程的⼀个解；B. *ψ⼀定不是该⽅程的解；C. Ψ与*ψ⼀定等价；D.⽆任何结论。
4．与空间平移对称性相对应的是：BA. 能量守恒；B.动量守恒；C.⾓动量守恒；D.宇称守恒。
5．如果算符∧A、∧B对易，且∧Aψ=Aψ，则：BA. ψ⼀定不是∧B的本征态；B. ψ⼀定是∧B的本征态；C. *ψ⼀定是∧B的本征态；D. ∣Ψ∣⼀定是∧B的本征态。
1、量⼦⼒学只适应于CA．宏观物体B．微观物体C．宏观物体和微观物体D．⾼速物体2、算符F的表象是指CA．算符F是厄密算符B．算符F的本征态构成正交归⼀的完备集C．算符F是⼳正算符D．算符F的本征值是实数3、中⼼⼒场中体系守恒量有BA．只有能量B．能量和⾓动量C．只有⾓动量D．动量和⾓动量4、Pauli算符的x分量的平⽅2σ的本征值为（B）A 0B 1C iD 2i5、证明电⼦具有⾃旋的实验是AA．史特恩—盖拉赫实验B．电⼦的双缝实验C．⿊体辐射实验D．光电效应实验1、量⼦⼒学只适应于CA．宏观物体B．微观物体C．宏观物体和微观物体D．⾼速物体2、在与时间有关的微扰理论问题中，体系的哈密顿算符由两部分组成，即()H t H H=+，，其中H和H，应满⾜的条件是（B）AH与时间⽆关， H，与时间⽆关B 0H与时间⽆关， H，与时间有关CH与时间有关， H，与时间有关D 0H与时间有关， H，与时间⽆关3、⾃旋量⼦数S的值为（D ）A 1/4B 3/4C /2D 1/25、证明电⼦具有⾃旋的实验是AA．史特恩—盖拉赫实验B．电⼦的双缝实验C．⿊体辐射实验D．光电效应实验⼆、简答（每⼩题5分，共15分）1. 什么叫光电效应？光的照射下，⾦属中的电⼦吸收光能⽽逸出⾦属表⾯的现象。
第三章习题解答3.1 一维谐振子处在基态t i x e x ωαπαψ2222)(--=，求：(1)势能的平均值2221x U μω=； (2)动能的平均值μ22p T =；(3)动量的几率分布函数。
解：(1) ⎰∞∞--==dx e x x U x 2222222121απαμωμωμωμωππαμω ⋅==⋅=2222221111221ω 41= (2) ⎰∞∞-==dx x p x p T )(ˆ)(2122*2ψψμμ ⎰∞∞----=dx e dx d e x x 22222122221)(21ααμπα ⎰∞∞---=dx e x x 22)1(22222αααμπα][222222222⎰⎰∞∞--∞∞---=dx e x dx e x x ααααμπα]2[23222απααπαμπα⋅-=μωμαμαπαμπα⋅===442222222 ω 41=或 ωωω 414121=-=-=U E T (3) ⎰=dx x x p c p )()()(*ψψ 212221⎰∞∞---=dx ee Px i xαπαπ⎰∞∞---=dx eePx i x222121απαπ⎰∞∞--+-=dx ep ip x 2222222)(21 21αααπαπ ⎰∞∞-+--=dx ee ip x p 222222)(212 21αααπαπ παπαπα2212222p e -=22221απαp e-=动量几率分布函数为 2221)()(2απαωp ep c p -==#3.2.氢原子处在基态0/301),,(a r e a r -=πϕθψ，求：(1)r 的平均值；(2)势能re 2-的平均值；(3)最可几半径； (4)动能的平均值；(5)动量的几率分布函数。
解：(1)ϕθθπτϕθψππd rd d r re a d r r r a r sin 1),,(0220/23020⎰⎰⎰⎰∞-==⎰∞-=0/233004dr ar a a r04030232!34a a a =⎪⎪⎭⎫⎝⎛=2203020/232020/232202/2322214 4 sin sin 1)()2(000a e a a e drr ea e d drd r e a e d drd r e ra e r e U a r a r a r -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=-=-=-=⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰∞-∞-∞-ππππϕθθπϕθθπ(3)电子出现在r+dr 球壳内出现的几率为 ⎰⎰=ππϕθθϕθψω02022 sin )],,([)(d drd r r dr r dr r e a a r 2/23004-=2/23004)(r e a r a r -=ω 0/2030)22(4)(a r re r a a dr r d --=ω 令 0321 , ,0 0)(a r r r drr d =∞==⇒=，ω当0)( ,0 21=∞==r r r ω时，为几率最小位置/22203022)482(4)(a r e r a r a a dr r d -+-=ω08)(230220<-=-=e a dr r d a r ω ∴ 0a r =是最可几半径。
一． 选择题99.动量为p '的自由粒子的波函数在坐标表象中的表示是)'exp(21)('x p ix P πψ=,它在动量表象中的表示是D A.δ(')p p -. B.δ(')p p +. C.δ()p . D.δ(')p .100.力学量算符 x对应于本征值为x '的本征函数在坐标表象中的表示是AA.δ(')x x -.B.δ(')x x +.C.δ()x .D.δ(')x .101.一粒子在一维无限深势阱中运动的状态为)(22)(22)(21x x x ψψψ-=,其中ψ1()x 、ψ2()x 是其能量本征函数,则ψ()x 在能量表象中的表示是DA.⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ 02/22/2.B.⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛- 02/22/2.C.222200//⎛⎝ ⎫⎭⎪⎪⎪⎪⎪.D.222200//-⎛⎝ ⎫⎭⎪⎪⎪⎪⎪.102.线性谐振子的能量本征函数ψ1()x 在能量表象中的表示是C A.⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ 001. B. ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ 010. C. 1000⎛⎝ ⎫⎭⎪⎪⎪⎪. D. 0100⎛⎝ ⎫⎭⎪⎪⎪⎪.103. 线性谐振子的能量本征函数)()(10x b x a ψψψ+=在能量表象中的表示是DA.⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++ 0//2222b a b b a a . B. ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++0//02222b a b b a a . C.⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛ 0b a .D. 00a b ⎛⎝ ⎫⎭⎪⎪⎪⎪.104.在(, L L z 2)的共同表象中,波函数φ=⎛⎝ ⎫⎭⎪⎪⎪22101,在该态中 L z 的平均值为 AA. .B. - .C. 2 .D. 0.105.算符Q 只有分立的本征值{}Q n ,对应的本征函数是{()}u x n ,则算符(,)F x i x ∂∂在 Q 表象中的矩阵元的表示是BA.F u x F x i x u x dx mn n m =⎰*()(,)() ∂∂. B.F u x F x i x u x dx mn m n =⎰*()(,)() ∂∂.C.F u x F x i x u x dx mn n m =⎰()(,)()* ∂∂. D.F u x F x i x u x dx mn m n =⎰()(,)()*∂∂.106.力学量算符在自身表象中的矩阵表示是AA. 以本征值为对角元素的对角方阵. B 一个上三角方阵. C.一个下三角方阵.D.一个主对角线上的元素等于零的方阵.107.力学量算符xˆ在动量表象中的微分形式是A A.-i p x∂∂. B.i p x ∂∂. C.-i p x 2∂∂. D.i p x 2∂∂.108.线性谐振子的哈密顿算符在动量表象中的微分形式是BA.p p 22222212μμω∂∂+ .B.p p 2222212μμω∂∂-. C.22222212p p ∂∂μωμ -.D.--p p 2222212μμω∂∂. 109.在 Q 表象中F =⎛⎝ ⎫⎭⎪0110,其本征值是A A. ±1. B. 0. C. ±i . D. 1±i .110. 在 Q 表象中F =⎛⎝ ⎫⎭⎪0110, F 的归一化本征态分别为A A.22112211⎛⎝ ⎫⎭⎪-⎛⎝ ⎫⎭⎪,. B. 1111⎛⎝ ⎫⎭⎪-⎛⎝ ⎫⎭⎪,. C. 12111211⎛⎝ ⎫⎭⎪-⎛⎝ ⎫⎭⎪,. D.22102201⎛⎝ ⎫⎭⎪⎛⎝ ⎫⎭⎪,. 111.幺正矩阵的定义式为AA.S S +-=.B.S S +=*.C.S S =-.D.S S *=-. 112.幺正变换BA.不改变算符的本征值,但可改变其本征矢.B.不改变算符的本征值,也不改变其本征矢.C.改变算符的本征值,但不改变其本征矢.D.即改变算符的本征值,也改变其本征矢.113.算符 ()( )/axip=+μωμω212,则对易关系式[ , ]a a +等于B A. [ , ]aa +=0. B. [ , ]a a +=1. C. [ , ]a a +=-1. D. [ , ]a a i +=.二． 填空题1. Q 表象是以Q 的本征函数系(){}x u n 为基底的表象，在这个表象中，有()()x u Q x u Q n n n =()()x u t a n n ∑=ψ()()()())(,,)(,)(,***t a t a t a t a t a t a n n 21+21=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=ψψ2. 算符F 对应一个矩阵（方阵），矩阵元是dxFu u F m n nm ⎰=*3. 选定表象后，算符和量子态都用 表示。
一．选择题1.一个空腔可以看作黑体。
实验得出，当空腔与内部的辐射处于平衡时，辐射能量密度按波长分布的曲线形状和位置[ ]A.只与绝对温度有关B.与绝对温度及组成物质有关C.与空腔的形状及组成物质有关D.与绝对温度无关，只与组成物质有关2.光电效应中，光电子的能量[ ]A.只与光强有关，与光的频率无关B.只与光的频率有关，与光强无关C.与光强和光的频率都有关D.与光强和光的频率都无关，和金属材料有关3.实验表明，高频率的X 射线被轻元素中的电子散射后，波长[ ] A.随散射角的增加而增大 B.不变C.随散射角的增加而减小D.变化情况视元素种类而定4.根据德布罗意关系，与自由粒子相联系的波是[ ] A.定域的波包 B.疏密波 C.球面波 D.平面波5.普朗克常数的单位是[ ]A.s J ⋅B.s N ⋅C.K s J /⋅D.K s N /⋅6.一自由电子具有能量150电子伏，则其德布罗意波长为A.1A B.15A C.10A D.150A7.下列表述正确的是A.波函数归一化后是完全确定的B.自由粒子的波函数为r p i p Ae t r⋅=),(ψD.所有的波函数都可以归一化8. 在球坐标中，ϕθψππd drd z y x 220),,(⎰⎰表示A.在),(ϕθ方向的立体角中找到粒子的几率B.在球壳),(dr r r +中找到粒子的几率C.在),,(ϕθr 点找到粒子的几率D.在),,(ϕθr 点附近，ϕθd drd 体积元中找到粒子的几率9.波函数的标准条件为A.在变量变化的全部区域，波函数应单值、有限、连续B.在变量变化的全部区域，波函数应单值、归一、连续C.在变量变化的全部区域，波函数应满足连续性方程D.在变量变化的全部区域，波函数应满足粒子数守恒10.下列波函数中，定态波函数是 A. tE i ix tE i ix ex v ex u t x ---+=ψ)()(),(1 B. tE i ix tE i ix ex v e x u t x+--+=ψ)()(),(2C. )()()(),(21321E E ex u e x u t x t E it E ≠+=ψ--D. )()()(),(21421E E ex u e x u t x t E it E ≠+=ψ+-11.一维无限深势阱中，粒子任意两个相邻能级之间的间隔 A.和势阱宽度成正比 B.和势阱宽度成反比 C.和粒子质量成正比 D.随量子数n 增大而增大12.若量子数不变，一维无限深势阱的宽度增加一倍，其中粒子的能量 A.增大为原来的四倍 B.增大为原来的两倍 C.减小为原来的四分之一 D.减小为原来的二分之一13. 对于一维谐振子，势能为2221)(x x V μω=，若令xμωξ=，则波函数形如)()(22ξξψξH e -=，其中)(ξH 满足0)1(222=-+-H d dHd H d λξξξ为使±∞→ξ时，)(ξψ有限，则λ值为A.整数B.奇数C.偶数D.零14.设体系处于的状态102111Y c Y c +=ψ，式中1c 、2c 是常数，则在此状态下，测量力学量2L 和z L ，下列结论中正确的是A. 测量2L 有确定值，测量z L 也有确定值 B. 测量2L 有确定值，测量z L 没有确定值 C. 测量2L 和z L 都没有确定值D. 测量2L 没有确定值，测量z L 有确定值15. 若Aˆ、B ˆ是厄密算符，则下列结论中正确的是 A. B A+仍然是厄密算符 B. B A ˆˆ仍然是厄密算符 C. B Aˆˆ是对易的 D. A ˆ、B ˆ的本征函数是实函数16.一质量为m 的粒子禁闭在边长为a 的立方体内，粒子的能量)(2222222z y x n n n n n n maE zy x ++=π ， x n 、y n 、z n =1，2，3，…则第一激发态能量A.不简并B.二重简并C.三重简并D.四重简并17.一维谐振子处于10ϕϕψB A +=，其中A 、B 为实常数，n ϕ为谐振子的第n 个归一化本征函数，则A.122=+B AB.1)(2=+B A C.1=+B A D.B A =18. 球谐函数ϕθϕθim m l lm m lm e P N Y )(cos )1(),(-=，其中)(cos θml P 是A.贝塞尔函数B. 缔合勒盖尔函数C.缔合勒让德函数D.拉格朗日函数19.关于球谐函数20Y 和21Y 的奇偶性，下列说法正确的是A. 20Y 、21Y 都是奇函数B. 20Y 、21Y 都是偶函数C. 20Y 是奇函数，21Y 是偶函数D. 21Y 是奇函数，20Y 是偶函数20.粒子在库仑场中运动，薛定谔方程径向部分是0)1()(222222=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-++u r l l r Ze E dr u d s μ其中A.0>E 构成连续谱，0<E 构成分立谱B.0<E 构成连续谱，0>E 构成分立谱C.0>l 构成连续谱，0<l 构成分立谱D.0<l 构成连续谱，0>l 构成分立谱21.氢原子的径向波函数)2()2()(01200r na Z L r na Z eN r R l l n l r na Z nl nl ++-=中的)2(012r na Z L l l n ++是 A.拉格朗日函数 B.拉普拉斯函数 C.缔合勒盖尔函数 D. 缔合勒让得函数22.不考虑电子自旋，库仑场中粒子束缚态能级的简并度为A.2n B.22n C.n D.n 223.氢原子核外电子的角分布Ωd W lm ),(ϕθ（即径向),(ϕθ附近立体角内找到粒子的几率）A.与r 有关C.与ϕ有关，与θ无关D.与θ、ϕ皆有关24.表示厄密算符的矩阵称为厄密矩阵。
量子力学习题集及答案09光信息量子力研究题集一、填空题1.__________2.设电子能量为4电子伏，其德布罗意波长为6.125A。
XXX的量子化条件为∫pdq=nh，应用这量子化条件求得一维谐振子的能级En=(nωℏ)。
3.XXX假说的正确性，在1927年为XXX和革末所做的电子衍射实验所证实，德布罗意关系为E=ωℏ和p=ℏk。
4.ψ(r)=(三维空间自由粒子的归一化波函数为e^(ip·r/ℏ))，其中p为动量算符的归一化本征态。
5.∫ψ*(r)ψ(r)dτ=(δ(p'-p))，其中δ为狄拉克函数。
6.t=0时体系的状态为ψ(x,0)=ψ_n(x)+2ψ_2(x)，其中ψ_n(x)为一维线性谐振子的定态波函数，则ψ(x,t)=(ψ(x)e^(-iωt/2)+2ψ_2(x)e^(-5iωt/2))。
7.按照量子力学理论，微观粒子的几率密度w=(|Ψ|^2)，几率流密度j=(iℏ/2μ)(Ψ*∇Ψ-Ψ∇Ψ*)。
其中Ψ(r)描写粒子的状态，Ψ(r)是粒子的几率密度，在Ψ(r)中F(x)的平均值为F=(∫Ψ*F(x)Ψdx)/(∫Ψ*Ψdx)。
8.波函数Ψ和cΨ是描写同一状态，Ψe^(iδ)中的e^(iδ)称为相因子，e^(iδ)不影响波函数Ψ的归一化，因为e^(iδ)=1.9.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。
10.E1=E2时，Ψ(x,t)=Ψ_1(x)exp(-iE1t)+Ψ_2(x)exp(-iE2t)是定态的条件。
11.这时几率密度和几率流密度都与时间无关。
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.ψ(x,t)=(ψ(x)e^(-iωt/2)+ψ_3(x)e^(-7iωt/2))。
2.15.在一维无限深势阱中，粒子处于位置区间x a，第一激发态的能量为1/13（22222/2ma2），第一激发态的波函数为sin（n x/a）（n=2）/a。
量⼦⼒学总结习题考卷及答案第⼀章⒈玻尔的量⼦化条件，索末菲的量⼦化条件。
⒉⿊体：能吸收射到其上的全部辐射的物体，这种物体就称为绝对⿊体，简称⿊体。
⒎普朗克量⼦假说：表述1：对于⼀定频率ν的辐射，物体只能以hν为能量单位吸收或发射电磁辐射。
表述2：物体吸收或发射电磁辐射时，只能以量⼦的⽅式进⾏，每个量⼦的能量为：ε=h ν。
表述3：物体吸收或发射电磁辐射时，只能以能量ε的整数倍来实现，即ε，2ε，3ε，…。
⒏光电效应：光照射到⾦属上，有电⼦从⾦属上逸出的现象。
这种电⼦称之为光电⼦。
⒐光电效应有两个突出的特点：①存在临界频率ν0：只有当光的频率⼤于⼀定值v0 时，才有光电⼦发射出来。
若光频率⼩于该值时，则不论光强度多⼤，照射时间多长，都没有光电⼦产⽣。
②光电⼦的能量只与光的频率有关，与光的强度⽆关。
光的强度只决定光电⼦数⽬的多少。
⒑爱因斯坦光量⼦假说：光(电磁辐射)不仅在发射和吸收时以能量E= hν的微粒形式出现，⽽且以这种形式在空间以光速C 传播，这种粒⼦叫做光量⼦，或光⼦。
爱因斯坦⽅程⒒光电效应机理：当光射到⾦属表⾯上时，能量为E= hν的光⼦⽴刻被电⼦所吸收，电⼦把这能量的⼀部分⽤来克服⾦属表⾯对它的吸引，另⼀部分就是电⼦离开⾦属表⾯后的动能。
⒓解释光电效应的两个典型特点：①存在临界频率v0：由上式明显看出，当hν- W0≤0时，即ν≤ν0 = W0 / h时，电⼦不能脱出⾦属表⾯，从⽽没有光电⼦产⽣。
②光电⼦动能只决定于光⼦的频率：上式表明光电⼦的能量只与光的频率ν有关，⽽与光的强度⽆关。
⒔康普顿效应：⾼频率的X射线被轻元素如⽩蜡、⽯墨中的电⼦散射后出现的效应。
⒕康普顿效应的实验规律：①散射光中，除了原来X光的波长λ外，增加了⼀个新的波长为λ'的X光，且λ' >λ；②波长增量Δλ=λ-λ随散射⾓增⼤⽽增⼤。
⒖量⼦现象凡是普朗克常数h在其中起重要作⽤的现象⒗光具有微粒和波动的双重性质，这种性质称为光的波粒⼆象性⒘与运动粒⼦相联系的波称为德布罗意波或物质波。
可编辑修改精选全文完整版一、在以下两种情况下计算粒子在一维阶跃势()⎩⎨⎧><=0000x V x x v （00>V ）上的反射率R 与折射率T ：00)2,)1V E V E <>解：（1）ψψμE H U H=+∇-=ˆ,2ˆ22 0V E >：令()022V E Ek -==μαμ， 定态方程为 ()()00222<=+x x k dxx d ，ψψ ()()00222>=+x x dxx d ，ψαψ 其解为 ()0,1<+=-x Be e x ikx ikx ψ()0,2>=x Ae x x i αψ 由边界条件 ()()0021ψψ=，()()00'21ψψ=‘可得 ααα+-=+=k k B k k A ,2 反射率()()222αα+-==k k B R透射率()241αα+=-=k k R T（2）0V E <，()E V -=02μβ 定态方程为 ()()00222<=+x x k dxx d ，ψψ()()00222>=-x x dxx d ，ψβψ 其解为 ()0,1<+=-x Be e x ikx ikx ψ ()0,2>=-x Ae x x βψ由边界条件 ()()0021ψψ=，()()00'21ψψ=‘可得()()()k i k i B k i A βββ+-=+=1112，反射率12==B R ，透射率01=-=R T二、质量为μ的粒子被约束在半径为r 的圆周上运动。
（1）设立路障 ，进一步限制粒子在00ϕϕ<<的一段圆弧上运动πϕϕϕϕϕ2,0,0{)(00<≤∞<≤=V求解粒子能量本征值和本征函数；（2）设粒子处于情况（1）的基态，求突然撤去路障后，粒子仍然处于最低能量态的几率。
解 1、在路障内，定态Schroedinger 方程为)()(2222ϕψϕϕψE d d I =- （1） 其中2r I μ=，方程（1）的解为00)(ϕϕϕψϕϕ<<+=-ik ik Be Ae （2）其中22IEk =，由,0)0(=ψ得A B -=，代入（2）得 00sin )()(ϕϕϕϕψϕϕ<<=-=-k c e e A ik ik由,0)(0=ϕψ得0ϕπn k =， .,2,1,20222 ==n I n E ϕπ由归一化条件⎪⎩⎪⎨⎧≤≤<≤==⇒=⎰πϕϕϕϕϕπϕϕϕψϕϕϕψϕ200sin 2)(21)(00002n c d2、设t =0时撤去路障，撤去路障后的定态波函数与定态能量为.,2,1,0,2,21)(22 ±±===m Im E e m im m ϕπϕψ 任意时刻的波函数为ϕπϕψim t E imm e eC t n 21),(-∑=⎪⎩⎪⎨⎧≤≤≤≤==∑πϕϕϕϕϕπϕϕπϕψϕ200sin 22)0,(0000mim m e C其中系数⎰⎰===-0000002sin1sin 1ϕϕϕπϕπϕϕϕπϕπϕϕϕπϕπϕd C d e C im m粒子仍处于基态的几率为324πϕ=C 。
高中物理“基本”粒子课后习题答案及解
析
练习与应用
1．请设计和绘制一个合理的表格，在表格中填入相关的内容，全面概括你对粒子分类的了解。
解析：
2．查找华人科学家在粒子物理领域的成果和事迹，写一篇文章，并与同学交流。
解析：
我们可以参照下面几个人物的事迹来进行描写：
（1）何泽慧，发现了铀核裂变的新方式--三分裂和四分裂现象(她首先捕捉到世界上第一例四分裂径迹)，在国际科学界引起很大反响。
因为铀核"三分裂"现象是何泽慧首先发现，所以其被西方媒体称为"中国的居里夫人"。
（2）美籍华裔物理学家李政道、杨振宁荣获本年度的诺贝尔物
理学奖。
1956年两人共同提出弱相互作用中宇称不守恒原理，而获得诺贝尔物理学奖。
曾量子力学练习题答案【篇一：量子力学曾谨言第八章第九章习题详解】表象中，求??x的本征态 [1]在?（解）设泡利算符?，?x，的共同本征函数组是： x1?sz? 和x2?122?sz? （1）?x的本征函数，但它们构成一个完整或者简单地记作?和?，因为这两个波函数并不是??x的本征函数可表系，所以任何自旋态都能用这两个本征函数的线性式表示（叠加原理），?示：??c1??c2?(2)?x的本征值?，则??x的本征方程式是： c1,c2待定常数，又设? ?x???? (3)?将（2）代入（3）：?x?c1??c2?????c1??c2?? (4)??z表象基矢的运算法则是： ?x对?根据本章问题6（p．264），? ?x??? ?x??????x的本征矢（2）是归一花的，将（5）代入（4）此外又假设?： c1??c1???c1???c2?比较?,?的系数（这二者线性不相关），再加的归一化条件，有： ?c1??c2????????????(6a)?????????????(6b)?c2??c1?c2?c2?1????????????(6c)2?12前二式得??1，即??1，或???1当时??1，代入（6a）得c1?c2,再代入(6c)，得：c1?12ei? c2?12ei?? 是任意的相位因子。
当时???1，代入（6a）得c1??c2代入(6c)，得：c1?12ei?c2??12ei??x的本征函数：最后得?x1?ei?2ei?2(???)对应本征值1x2?(???)对应本征值-1?x??2共同表象中，采用sz作自变量时，既是坐标表以上是利用寻常的波函数表示法，但在?象，同时又是角动量表象。
可用矩阵表示算符和本征矢。
?c1??1??0??? ???? ???? ?c?（7）01?2??????x的矩阵已证明是 ??01??x?? ??10???x的矩阵式本征方程式是：因此???c1??01??c1?（8） ???????cc?01??2??2??x本征矢的矩阵形式是：其余步骤与坐标表象的方法相同，?ei??1?ei??1?x1??1? x2???1?2??2?????[2]在?z表象中，求??n的本征态，n(sin?cos?,sin?sin?,cos?)是(?,?)方向的单位矢。
第三章： 一维定态问题[1]对于无限深势阱中运动的粒子（见图3-1）证明2a x =）（）（22226112πn ax x -=- 并证明当∞→n 时上述结果与经典结论一致。
[解]写出归一化波函数： ()ax n ax n πsin2=ψ （1）先计算坐标平均值：xdx axn axdx ax n axdx x aaa）（⎰⎰⎰-==ψ=222cos11sin2ππ 利用公式：2sin cos sin ppx p pxx pxdx x +-=⎰（2）得2c o s s i n c o s ppx ppxx pxdx x +-=⎰（3）22cos 22sin 221022a a x n n a a x n x n a xa x a=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛-=ππππ计算均方根值用()x x x x x ，）（222-=-以知，可计算2xdx axn x adx axn x adx x xaa）（⎰⎰⎰-==ψ=2222222cos11sin2ππ 利用公式px ppx x ppx x ppxdx x sin 1cos 2sin 1cos 3222-+=⎰（5）aa x n x n a a x n n a x n a x a x222222cos 222sin 22311πππππ⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛--=222223πn aa-=()22222222223⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-=-a n aaxx x x π）（ 2222212πn aa-=（6）在经典力学的一维无限深势阱问题中，因粒子局限在（0，a ）范围中运动，各点的几率密度看作相同，由于总几率是1，几率密度a1=ω。
210a xdx axdx x aa===⎰⎰ω31222adx x axa==⎰()22222222223⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-=-a n aaxx x x π）（ 故当∞→n 时二者相一致。
#[2]试求在不对称势力阱中粒子的能级。
第六章 全同粒子体系习题解1.求在自旋态)(21z S χ中,xS ˆ与y S ˆ的不确定关系:?)()(22=y x S S ∆∆ 解:在z S ˆ表象中)(21z S χ、xS ˆ、y S ˆ的矩阵表示分别为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=01)(21z S χ 01ˆ102x S ⎛⎫= ⎪⎝⎭h ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=002ˆi i S y η ∴ 在)(21z S χ态中00101102)0 1(2121=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛==+ηχχx x S S 4010*********)0 1(ˆ2222121ηηη=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==+χχx xS S 4)(2222η=-=∆xxx S S S 001002)0 1(ˆ2121=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==+i i S S y y ηχχ 401002002)0 1(ˆ2222121ηηη=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==+i i i i S S yyχχ 4)(2222η=-=∆yyy S S S 16)()(422η=∆∆y x S S讨论:由xS ˆ、y S ˆ的对易关系 [x S ˆ,y S ˆ]zS i ˆη= 要求4)()(2222z y x S S S η≥∆∆ 16)()(422η=∆∆y x S S ①在)(21z S χ态中,2η=z S ∴ 16)()(422η≥y x S S ∆∆可见①式符合上式的要求。
2.求⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=002ˆ01102ˆi i S S y xηη及的本征值与所属的本征函数。
解:xS ˆ的久期方程为022=--λληη20)2(22ηη±=⇒=-λλ∴ xS ˆ的本征值为2η±。
设对应于本征值2η的本征函数为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=112/1b a χ 由本征方程 2/12/12ˆχχη=x S ,得 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1111201102b a b a ηη 111111 a b b a a b =⇒⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⇒ 由归一化条件 12/12/1=+χχ,得 1),(11*1*1=⎪⎪⎭⎫⎝⎛a a a a 即 1221=a ∴ 21 2111==b a对应于本征值2η的本征函数为 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=11212/1χ 设对应于本征值2η-的本征函数为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-222/1b a χ 由本征方程 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--222/12/12ˆb a S x χχη222222 a b b a a b -=⇒⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⇒ 由归一化条件,得 1),(22*2*2=⎪⎪⎭⎫⎝⎛--a a a a 即 1222=a ∴ 21 2122-==b a对应于本征值2η-的本征函数为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-11212/1χ同理可求得yS ˆ的本征值为2η±。
其相应的本征函数分别为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=i 12121χ ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-i 12121χ 3.求自旋角动量)cos ,cos ,(cos γβα方向的投影γβαcos ˆcos ˆcos ˆˆz y x n S S S S ++= 本征值与所属的本征函数。
在这些本征态中,测量z S ˆ有哪些可能值？这些可能值各以多大的几率出现？z S ˆ的平均值就是多少？ 解:在z S ˆ 表象,nS ˆ的矩阵元为 γβαcos 10012cos 002cos 01102ˆ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ηηηi i S n ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-=γβαβαγcos cos cos cos cos cos 2i i S n η 其相应的久期方程为0cos 2)cos (cos 2)cos (cos 2cos 2=--+--λγβαβαλγηηηηi i即0)cos (cos 4cos 4222222=+--βαγληη0422=-ηλ )1cos cos cos (222=++γβα利用⇒ 2η±=λ所以nS ˆ的本征值为2η±。
设对应于2η=n S 的本征函数的矩阵表示为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=b a S n )(21χ,则 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-b a b a i i 2cos cos cos cos cos cos 2ηηγβαβαγb b i a =-+⇒γβαcos )cos (cos γβαcos 1cos cos ++=i b由归一化条件,得22**),(12121b a b a b a +=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==+χχ 1cos 1cos cos 222=+++a i a γβα1cos 122=+a γ⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++=)cos 1(2cos cos 1cos 1)(21γβαγχi S n ⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++=)cos 1(2cos cos 1cos 1)(21γβαγχi S n 2121)cos 1(2cos cos 2cos 110)cos 1(2cos cos 012cos 1)(21-++++=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=χγβαχγγβαγχi i S n2121)cos 1(2cos cos 2cos 110)cos 1(2cos cos 012cos 1)(21-++++=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=χγβαχγγβαγχi i S n可见, zS ˆ的可能值为 22ηη- 相应的几率为 2cos 1γ+ 2cos 1)cos 1(2cos cos 22γγβα-=++γγγcos 22cos 122cos 12ηηη=--+=z S同理可求得 对应于2η-=n S 的本征函数为⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+--=-)cos 1(2cos cos 2cos 1)(21γβαγχi S n 在此态中,zS ˆ的可能值为 2 2ηη- 相应的几率为 2cos 1γ- 2cos 1γ+γcos 2η-=z S讨论:算符zS ˆ的本征值为2η±,而z 方向为空间的任意方向。
现在把z 方向特别选为沿n ρ方向(这相当于作一个坐标旋转),则n S ˆρ的本征值也应为2η±。
另外我们知道,本征值与表象的先取无关。
这样选择n z ρρ//并不影响结果的普遍性。
同理yx S S ˆˆ和的本征值也都就是2η±。
我们也可以在nS ˆ为对角矩阵的表象中(n S 表象)求本征矢。
显然这时nS ˆρ的知阵为⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-2002ηη所以本征矢为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1001及注意到本征矢就是随着表象选取的不同而改变的。
现在就是在n S ˆρ表象,而上面算出的z S 是在2ηψ表象,算出的结果应用所不同,这就是合理的。
4.在z σ表象中,求n ρρ⋅σ的本征态,)cos ,sin sin ,cos (sin θϕθϕθn ρ就是),(ϕθ方向的单位矢。
(解) 方法类似前题,设n ρρ⋅σ算符的本征矢就是:βα21c c x += (1)它的本征值就是λ。
又将题给的算符展开:z y x n σθσϕθσϕθσˆcos ˆsin sin ˆcos sin ++=⋅ρρ (2) 写出本征方程式:()()()βαλβασθσϕθσϕθ2121ˆcos ˆsin sin ˆcos sin c c c c z y x+=+++ (3)根据问题(6)的结论,x σˆ,y σˆ对2ˆˆσσz 的共同本征矢α,β,运算法则就是 βασ=x ˆ , αβσ=x ˆ , βασi y =ˆ , αβσi y =ˆ , αασ=z ˆ , ββσ-=z ˆ (4) 将这些代入(3),集项后,对此两边α,β的系数:⎩⎨⎧=-+=++2211cos )sin sin cos (sin )sin sin cos (sin cos c c i c i c λθϕθϕθλϕθϕθθ (5)或 ⎩⎨⎧=+-⋅=⋅+--0)(cos sin 0sin )(cos 2121c c e c e c i i λθθθλθϕϕ (6) (6)具有非平凡解(平凡解01=c ,02=c )条件就是久期方程式为零,即0cos sin sin cos =----λθθθλθϕϕi i e e 它的解12=λ (7) 1=λ 时,代入(6)得:122c e tgc i ⋅=ϕθ(8)（1） 的归一化条件就是: 12221=+c c将(8)代入(9),得: 2cos )(1θϕδ-=i ec 2sin 2θδi e c =归一化本征函数就是: ⎭⎬⎫⎩⎨⎧+=--βθαθχϕδ2sin 2cos 1i i e e(10) 1-=λ时,21,c c 的关系就是:122c e ctgc i ⋅-=-ϕθ归一化本征函数就是:⎭⎬⎫⎩⎨⎧+-=-βθαθχϕδ2cos 2sin 2i i e e (11)δ就是任意的相位因子。
本题用矩阵方程式求解:运用矩阵算符:⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0110ˆx σ ,⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=00ˆii y σ ,⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=1001ˆz σ (12)⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⋅-θθθθσϕϕcos sin sin cos i i ee n ρρ (13)本征方程式就是:⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--2222cos sin sin cos c c c c ee i i λθθθθϕϕ (14) n ρρ⋅σ的本征矢就是:⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=-δϕδθθi i e e 2sin 2cos 1)( , ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=-δϕδθθi i e e 2cos 2sin 2)( (15) 补白:本征矢包含一个不定的 相位因式δi e ,由于δ可以取任意值,因此21,χχ的形式就是多式多样的,但(15)这种表示法就是有普遍意义的。
5、若ˆˆˆ,,x y z σσσ为泡利矩阵,证明:i z y x =σσσˆˆˆ,并求: (1)在z σ表象中z y x σσσ,,的归一化本征函数; (2)在x σ表象中,y z σσ的归一化本征函数;证:由对易关系z x y y x i σσσσσˆ2ˆˆˆˆ=- 及 反对易关系0ˆˆˆˆ=+x y y x σσσσ, 得 z y x i σσσˆˆˆ= 上式两边乘z σˆ,得 2ˆˆˆˆz z y x i σσσσ= ∵ 1ˆ2=z σ ∴ i z y x =σσσˆˆˆ (1)在z σ表象中,z σ的矩阵就是⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=1001z σ因此z σ的本征值就是±1,而本征矢为⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛01,10都已归一化。
在z σ表象中⎪⎪⎭⎫⎝⎛=0110x σ;设其本征值为λ,本征矢为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛2121210110,a a a a a a λ则 容易求得1±=λ相应的归一化本征函数为⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛11211121和 同理,在z σ表象中,⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=00i i y σ,设其本征值为μ,本征矢为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛21b b ,则 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-212100b b b b i i μ 可求得:1±=μ相应归一化本征函数为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛i i 121121和(2)求在x σ表象中。
