量子力学 南京大学研究生部分经典真题
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南京大学1998年硕士研究生考试试题——量子力学专业: 理论物理、粒子物理与光学(一) 20分 有半壁无限高势垒的一维阱 ()ax a x x V x V ><<<⎪⎩⎪⎨⎧∞=000在0V E <的情形下,该系统是否总存在一个束缚态?如果回答是否定的,那么系统中至少有一个束缚态的存在的充要条件是什么?(二)20分 一个取向用角坐标θ和ϕ确定的转子,作受碍转动,用下述哈密顿量描述:()ϕ2cos ˆˆ22 B L A H+=,式中A 和B 均为常数,且B A >>,2ˆL 是角动量平方算符,试用一级微扰论计算系统的p 能级(1=l )的分裂,并标出微扰后的零级近似波函数。
(三)20分求在一维无限深势阱中,处于()x n ψ态时的粒子的动量分布几率()2p n φ 。
(四)20分 试判断下列诸等式的正误,如果等式不能成立,试写出正确的结果: (1)i j x i p jx i peee21ˆˆˆˆˆˆˆˆ-⋅+⋅⋅⋅=⋅ ?式中i ˆ和j ˆ分别是x 和y 方向的单位矢量。
(2)()[])(ˆˆˆˆ,ˆ'x f pip x f p px x x x = ?式中xi p x ∂∂= ˆ ,(3)系统的哈密顿算符为()r V p H+=μ2ˆˆ2 ,设()r n ϕ是归一化的束缚态波函数,则有:()n n n n r V r p ϕϕϕμϕ∇⋅=212ˆ2 ?(五)20分碱金属原子处在z 方向的外磁场B 中,微扰哈密顿为Bls H H H ˆˆˆ1+= ,其中S L dr dV r c H ls⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛=121ˆ22μ ,()Z Z B S L c eB H 22+=μ , 当外磁场很弱时,那些力学量算符是运动积分(守恒量),应取什么样的零级近似波函数,能使微扰计算比较简单,为什么? 注: ()()()()ϕθπim mllm e m l m l l Y P cos !!412+-+=()x x P =01;()()2/12111x x P -=;()()x x x P 2/121213-=()()22213x x P -=南京大学1999年硕士研究生考试试题——量子力学专业: 理论物理、粒子物理与光学(20分) 一、 t =0时,粒子的状态为][sin )(2kx A x =φ,求此时动量的可能测值和相应的几率,并计算动量的平均值。
南京大学1998年硕士研究生考试试题——量子力学(一) 20分 有半壁无限高势垒的一维阱 ()ax a x x V x V ><<<⎪⎩⎪⎨⎧∞=000在0V E <的情形下,该系统是否总存在一个束缚态?如果回答是否定的,那么系统中至少有一个束缚态的存在的充要条件是什么?(二)20分 一个取向用角坐标θ和ϕ确定的转子,作受碍转动,用下述哈密顿量描述:()ϕ2cos ˆˆ22 B L A H+=,式中A 和B 均为常数,且B A >>,2ˆL 是角动量平方算符,试用一级微扰论计算系统的p 能级(1=l )的分裂,并标出微扰后的零级近似波函数。
(三)20分求在一维无限深势阱中,处于()x n ψ态时的粒子的动量分布几率()2p n φ 。
(四)20分 试判断下列诸等式的正误,如果等式不能成立,试写出正确的结果: (1)i j x i p jx i peee21ˆˆˆˆˆˆˆˆ-⋅+⋅⋅⋅=⋅ ?式中i ˆ和j ˆ分别是x 和y 方向的单位矢量。
(2)()[])(ˆˆˆˆ,ˆ'x f pip x f p px x x x = ?式中xi p x ∂∂= ˆ ,(3)系统的哈密顿算符为()r V p H+=μ2ˆˆ2 ,设()r n ϕ是归一化的束缚态波函数,则有:()n n n n r V r p ϕϕϕμϕ∇⋅=212ˆ2?(五)20分碱金属原子处在z 方向的外磁场B 中,微扰哈密顿为Bls H H H ˆˆˆ1+= ,其中S L dr dV r c H ls⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛=121ˆ22μ ,()Z Z B S L c eB H 22+=μ , 当外磁场很弱时,那些力学量算符是运动积分(守恒量),应取什么样的零级近似波函数,能使微扰计算比较简单,为什么? 注: ()()()()ϕθπim mllm e m l m l l Y P cos !!412+-+=()x x P =01;()()2/12111x x P -=;()()x x x P 2/121213-=()()22213x x P -=专业: 理论物理、粒子物理与原子核物理(20分) 一、 t =0时,粒子的状态为][sin )(2kx A x =φ,求此时动量的可能测值和相应的几率,并计算动量的平均值。
2015年南京大学物理学院博士生“申请-考核”制入学
专业课程笔试试题
考试科目: 量子力学 考试时间:三小时
本试卷共计五大题
一、基本概念题
简述量子力学的基本原理。
二、设一个质量为m 的粒子处于区域为(0, a )的一维无限深势阱中, 其状态波函数为2=sin cos x
x
a a ππψ ,试求:
1)、一维无限深势阱的本征值问题;
2)、测量到粒子处于不同能量本征态的几率。
三、设两个算子ˆA
与ˆB 满足交换关系式:ˆˆˆˆˆˆ[,]1A B AB BA =-=,试求: 1)、n 为正整数, ˆˆ[,]n A
B ; 2)、()f x 为解析函数,ˆˆ[,()]A
f B 。
四、 已知两个算子ˆa 与ˆa +满足ˆˆˆˆ1a a aa ++=-,令ˆˆˆN a a +=,且有ˆN
n n n =, 求证:n 为实数。
五、量子力学中的韦尔(Weyl)波动方程式为:
(,)(,)i r t c r t t i ψσψ∂
=⋅∇∂
,
其中=x x y y z z e e e σσσσ++
为泡利矩阵所组成的矢量,
(,)r t ψ 为泡利二 分量波函数,其它为量子力学标准符号。
求
1)、该系统的韦尔定态方程式与力学量完全集;
2)、该系统的能量本征值并说明其物理意义;
3)、该系统的本征波函数。
南京大学2001年硕士研究生入学考试试题———量子力学 专业: 理论物理、、凝聚态物理、光学等一、有一质量为μ的粒子处于长度为a 的一维无限深势阱中()⎩⎨⎧<<><∞=a x a x x x V 0,0;0,,在t=0时刻,粒子的状态由波函数()⎩⎨⎧<<-><=a x x a Ax a x x x 0),(;0,0ψ描述。
求: (20分) 1.归一化常数A; 2.粒子能量的平均值; 3.t=0时刻,粒子能量的几率分布; 4. 人艺t>0时刻的波函数的级数表达式。
提示:96145,3,14π=∑⋅⋅⋅=n n二、考虑势能为()⎩⎨⎧<>=0,00,0x x V x V 的一维系统,其中0V 为正常数。
若一能量为E 的粒子从-∞=x 处入射,其透射系数和反射系数各为多少?考虑E 的所有可能值。
(20分)三、有一质量为μ的粒子,在一维谐振子势场()2221x x V μω=中运动。
在动能μ22p T =的非相对论极限下,基态能ω 210=E ,基态波函数为()⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=ψ24102exp x x μωπμω。
考虑T 与p 的关系的相对论修正,计算基态能级的移动E ∆至21c 阶。
(c 为光速)(20分) 四、氯化钠晶体中有些负离子空穴,每个空穴束缚一个电子。
可将这些电子看成束缚在一个尺度为晶格常数的三维无限深势阱中。
晶体处于室温,试粗略地估计被这些电子强烈吸收的电磁波的最长的波长。
(20分) 提示:电子质量fm MeV c MeV mc ⋅≈=197,511.02 ,晶格常数01A a ≈ 五、考虑自旋 21=S 的系统, 1.求算符zy S B S A T ˆˆˆ+=的本征值和归一化本征波函数;(A 、B 为实常数) 2.若此时系统正处在T ˆ的某一个本征态上,求此时测量y S ˆ结果为⎪⎭⎫ ⎝⎛+2 的几率。
(2000/4).两个自旋1/2的非全同粒子系的Hamilton 量][)2()1(∧∧→→∧∙-=S S J H S , J>0, 求s H ∧的能量本征值和相应的简并度。
解:由于相互作用只与自旋有关,且只考虑自旋态,所以可不计粒子的空间运动(自由度)。
因此体系的Hamilton ∧H 可写为][)2()1(∧∧→→∧∙-=S S J H S= )(222212∧∧∧---S S S J =)23(22--S J它是与时间无关的保守体系,因为∧H 在耦合表象{∧21S ,∧22S ,∧2S ,∧Z S }的共同本征态m S ,上取确定值,所以 m S ,为∧H 的本征态。
因此有S=0时. 2043 J E =相应的本征态有3个:1,1=)(121z S χ)(221z S χ0,1=[21)(121z S χ)(221z S -χ+)(121z S -χ)(221z S χ1,1-=)(121z S -χ)(221z S -χ例:对于两个自旋为21粒子组成的体系。
以→1S ,1→δ和→2S ,2→δ分别表示粒子1和2的自旋角动量及Pauli 算符:→1S =211→δ,→2S =212→δ (取1= )试求1→S ∙→2S 满足的最简代数方程,并用以确定1→δ∙2→δ的本征值,进而再确定总自旋→2S 的本征值。
解: 因为1δ和2δ分别属于粒子1和2,因而互相对易,利用公式 (→δ∙→A )(→δ∙→B )=→A ∙→B + i →δ∙(→A ×→B ) 得 221)(→→∙δδ=2→δ∙2→δ+i 1→δ∙(2→δ∙2→δ)由于2→δ∙2→δ=→22δ=22x δ+22y δ+22z δ=32→δ∙2→δ=2i 2→δ (因为2→S ∙2→S =i 2→S 所以2→δ∙2→δ=2i 2→δ)。
所以有221)(→→∙δδ+2→→-∙21δδ3=0⇒(→→21δδ+3)(→→-21δδ1)=0 ----------→→-21δδ满足的最简单的单数方程 ⇒321-=→→δδ 或 121=→→δδ----------本征值 总自旋 =→S →1S +→2S =21(1→δ+2→δ) →2S =41(∧21S +∧22S +2→→21δδ)=23+21→→21δδ因此 →2S 的本征值为:→→21δδ=1 →2S =2 321-=→→δδ →2S =0 亦即→2S =S (S+1),S=0,1如果将→→21,δδ作用于(→2S ,∧Z S )共同本征态sms χ。
显然有下列结果:S=1 (三重态) →→21δδms 1χ∙=ms 1χ 1,0,1-=s m S=0 (单态)→→21δδ00χ∙ =003χ-3-(2003/4):两个自旋为1/2的粒子组成的体系由哈密顿量H=A(z S 1+z S 2)+B →1S →∙2S 描述。
其中→1S 和→2S 分别是两个粒子的自旋,而z S 1和z S 2分别是这两个粒子的自旋的Z 分量,A 和B 是实常数,求该哈密顿量的所有能级。
解: 由体系的哈密顿量H= A(z S 1+z S 2)+B →1S →∙2S= A(z S 1+z S 2)+B 21[])S (2221221→→→→∙-+S S S=A(z z S S 21+)+)23(222 -→S B采用sm s χ作为基矢较为方便,分别令基矢)2()1(111ααχχ==)2()1(112ββχχ==-)2()1()2()1(103[21αββαχχ+==])2()1()2()1(004[21αββαχχ-==]四个基矢都是(→2S ,→Z S )的共同本征态,即是→1S →∙2S 和(z S 1+z S 2)的共同本征态,则H 的本征态为H 1χ=(A )42B +1χ H 2χ= (24 B -A )2χ H 3χ= 24B 3χH 4χ=0所以其哈密顿量的所有能级为24 B A ±,24B,0例:设一定域电子处于均匀外磁场B e B →→=0中,电场Hamilton 量为 x c x W S ceB B H δμμ==-=→→→2 其中=c W ceB μ2为Larmor 频率,设初始时刻电子的自旋态为沿Z 轴取值2 的本征态,即)0(x =+,求t>0时 1) 电子的自旋态)(t x ; 2) 电子自旋沿y 轴取值2的几率; 3) 时间t 为何值时电子自旋恰好沿+y 轴?解:由∧H =x c W δ ,=c WceBμ2得∧H =x c W δ =c W ⎪⎪⎭⎫⎝⎛0110 令ϕ(t )=⎪⎪⎭⎫⎝⎛)()(t b a t 代入薛定谔方程得t i ∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛)()(t b a t =∧H ϕ(t )=c W ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛0110⎪⎪⎭⎫⎝⎛)()(t b a t =c W ⎪⎪⎭⎫⎝⎛)()(t a t b ⇒ti∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛)()(t b a t =c W ⎪⎪⎭⎫⎝⎛)()(t a t b ⇒)()(t b W t a dt d i c = ;)()(t a W t b dtdi c =⇒)]()([)]()([t b t a W t b t a dt d i c +=+;)]()([)]()([t b t a W t b t a dtdi c --=- ⇒)()(t b t a +=[)0()0(b a +]iwte -;)()(t b t a -=[)0()0(b a -]iwte由于+=)(o x ,,,1)0(=⇒a b(0)=0⎩⎨⎧-==t w i t b t w t a 00sin )(cos )( 即ϕ(t )=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-t w i t w 00sin cos 2):对于∧y S 在z S 表象中的波函数 ∧y S ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∙b a =⎪⎪⎭⎫⎝⎛b a 2⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⇒b a b a i i 2002 ⇒ b= a i ⇒ 1)(=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-ai a ai a ⇒a=21 ⇒⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=i 12121ϕ 则电子自旋沿y 轴取值2的几率为())2s i n 1(21s i n c o s 12122)(*21wt wt i wt i t -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=∙ϕϕ 4) 当电子自旋恰沿+y 轴时⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-=22sin 22cos wt wt ππ432+=⇒k wt ,k= 0,⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅±±,2,1 ,432w w k t ππ+=⇒ ceBW c μ2=例:一束自旋极化的Z 轴方向,并沿y 轴方向活动的极化电子进入有均匀磁场∧→=x B B 0的区域,经过t 时段后,接触到一个磁场沿z 轴方向的施特恩—格拉赫实验装置,(a )写出均匀磁场区域里的相互作用哈密顿算符。
(b )如果探测器D 只能探测自旋极化沿z 轴负向的电子,试求使所有电子都能被D 探测器探测到的0B 值。
(c )对(b )中的最小的0B 值,在T/2(不是T )时段后被D 观测到电子百分比是多大?解:(a ):电子和磁场之间的相互作用由电子的磁矩cm S e M e e →→=2和外磁场∧→=x B B 0决定,相互作用哈密顿算符为:H=∧→→∙=x S c m eB B e e 02μ=c m eB e 02x S =⎪⎪⎭⎫⎝⎛01100cm B e e (b ):为了构造t 时刻的电子态,要求解薛定谔方程 ϕϕH t i =∂∂令⎪⎪⎭⎫⎝⎛=)()()(t b t a t ϕ ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⇒)()()()(0110)()(00t a t b c m B e t b t a c m B e t b t a t i e e;令cm eB W e o 0=dtd i⇒⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛)()(t b t a =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛)()(0t b t a W)()()()(00t b W t a W t b dtdi t a dt d i =⎪⎩⎪⎨⎧=⇒ 两式相加相减得: ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧-=-+=+)]()([)]()([)]()([)]()([00t b t a W t b t a dtdt b t a W t b t a dtdi)]0()0([)()()];0()0([)()(b a e t b t a b a e t b t a iwt iwt -=-+=-⇒-⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⇒⎩⎨⎧-==⇒==⇒⎪⎪⎭⎫⎝⎛=wt i wt t wt i t b wt t a b a sin cos )(sin )(cos )(0)0(,1)0(01)0(ϕϕ (t=-0时)由于D 只能探测到自旋极化沿z 轴负方向的电子,如果我们要求所有的电子都能够被D 探测到必须有⎪⎪⎭⎫⎝⎛=10)(t ϕ 即:1sin ,0cos =-=wt i wt ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅±±=+=⇒2,1,0,2n n wt ππ利用w=mc eBeTc m et c m B e e 22)(min 0ππ==⇒(c): 当t=T/2时 Tc m B e W e 2)(min 00π==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⇒i T 121)2(ϕ 探测点D 中探测到的电子的概率为:()21121102=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=i P D。